本发明属于航空发动机热管理，涉及一种航空发动机燃滑油微通道换热单元多目标优化方法。
背景技术：
1、燃滑油换热器是航空发动机燃滑油系统的重要组件，其换热性能和功重比对滑油系统稳定工作及提升发动机整机性能有重要意义。
2、印刷电路板式换热器(pche)作为一种新型的微通道高效紧凑型换热器，有优良的换热性能和结构强度，能在高温、高压等恶劣环境下工作，相较于常规换热器，能满足航空发动机高温高压的工作环境。与传统的管壳式换热器相比，在换热量相同的条件下，体积比管壳式换热器小3~5倍，重量轻1~2倍，拥有更大的功重比。所以，通过对以燃滑油为传热工质的pche进行结构优化设计有着重大意义。
3、增强换热器传热可以通过各种方法来实现，包括破坏边界层生长、增加湍流强度和产生二次流。这些方法可分为主动和被动两种。主动强化技术需要利用外力，如表面振动法和射流冲击法，通过机械力加强传热；如电磁场法和静电场法，通过电磁力实现强化传热。另一方面，被动增强方法涉及使用粗糙表面、增加干扰元素的扩展表面和纳米流体等。纳米流体是一种含有金属、非金属或聚合物纳米颗粒的固液混合物，因为纳米技术的不断发展而受到关注。这些纳米流体不仅在光催化分解污染物等领域有应用，而且在强化传热方面也显示出良好的潜力。另一种增强传热的方法是使用扰流片元件，它是垂直于通道中流动方向的平台。这些扰流片元件不仅破坏了介质的流动，而且增加了传热表面积。此外，可以在换热器内壁面上安装vgs来增强传热。
4、jing等通过数值模拟研究了不同多流道pches在超临界二氧化碳（sco2）brayton循环中的局部和整体流动与换热性能，系统地分析了通道构型和弧肋布置对多流道pche的影响。结果表明，90°转弯弯道和弧形肋有效地通过冲击和加速效应增强了流体扰动，有助于湍流动能和换热水平的提高。流道的增加也有利于整体热性能的提高。（jing q ,xie y,zhang d .thermal hydraulic performance of printed circuit heat exchangerwith various channel configurations and arc ribs for sco2 brayton cycle[j].international journal of heat and mass transfer,2020,150119272-119272.）。tang等运用数值模拟的方法，比较了六种不同翼型-涡流发生器pche构型对超临界天然气换热和流动摩擦特性的影响。布置在翼型上游的三角涡流发生器比布置在翼型下游的三角涡流发生器具有更好的热工性能，而同流向上布置的三角涡流发生器热工性能并不总是优于同流向下布置的三角涡流发生器（tang h l ,pan j ,sundén b .investigation onthermal-hydraulic performance in a printed circuit heat exchanger withairfoil and vortex generator fins for supercritical liquefied natural gas[j].heat transfer engineering,2020,42(10):1-21.）。
5、以燃滑油为传热工质，通过在传热通道内部安装带三角形涡流器（vgs），可以有效提升换热器的换热能力，pche由大量重复性结构单元构成，因此只取其最小换热单元进行研究。三角形vgs的构型参数既要尽可能提升换热单元的换热能力，又要优化结构，降低vgs引入的压力损失。因此，为达到提升换热单元的换热能力和降低压力损失的目的，需要研究三角形vgs的构型参数（三角形的顶角 α，三角形的斜边长 l vg，三角形vgs的攻角 β，三角形vgs与临近翼型翅片的水平距离 l a,vg，三角形vgs与临近翼型翅片的垂直距离 l b,vg等）对其换热和流动特性的影响，并通过科尔本传热因子 j和范宁摩擦系数 f分别评价其换热与流动特性。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种航空发动机燃滑油微通道换热单元多目标优化方法，采用cfd仿真技术和bp神经网络得到设定工况下三角形vgs构型参数对翼型翅片pche燃滑油换热单元的流动与换热性能预测的代理模型，经pareto多目标优化和linmap决策得到该工况下三角形vgs的优化构型参数。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
3、一种航空发动机燃滑油微通道换热单元多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
4、步骤一：建立翼型翅片pche燃滑油换热单元物理模型，确定三角形vgs构型参数为三角形的顶角 α，三角形的斜边长 l vg，三角形vgs的攻角 β，三角形vgs与临近翼型翅片的水平距离 l a,vg，三角形vgs与临近翼型翅片的垂直距离 l b,vg，以及各构型参数的变化范围；
5、步骤二：确定翼型翅片pche燃滑油换热单元计算流体域数学模型和边界条件，并采用k-epsilon湍流模型来求解换热单元的流动与换热问题；边界条件将流体入口设置为质量流入口条件，流体出口设置为压力出口条件，流体出口设置为压力出口条件，上下壁面设置为周期性边界条件，左右壁面设置为对称边界条件，其他固体壁面设置为绝热壁面条件，冷、热流体和换热器固体部分的交界面为流固耦合边界条件，航空燃油rp-3为冷流体，航空滑油4050为热流体，304不锈钢为换热单元材料，并确定典型工况条件；
6、步骤三：对三角形vgs的构型参数变化范围内进行拉丁超立方抽样，得到相应的输入数据集，并对输入数据集采用cfd数值仿真计算，得到不同构型参数下的翼型翅片pche换热单元的科尔本传热因子 j和范宁摩擦系数 f，建立输入数据集相对应的输出数据集；
7、步骤四：将步骤三获得的输入数据集和输出数据集随机划分为训练集、测试集、验证集，分别用于翼型翅片pche燃滑油换热单元的流动与换热性能预测中参数的拟合、优化以及验证；
8、步骤五：基于bp（back propagation）神经网络，将步骤四中训练集、测试集的输入数据集与输出数据集分别作为bp神经网络模型的输入与输出，进行多次训练与测试得到构型参数与科尔本传热因子 j、范宁摩擦系数 f之间的映射关系，获得不同三角形vgs构型参数下的燃滑油换热单元的流动与换热性能；此后，将验证集的数据输入到燃滑油换热单元的性能预测模型，用于验证该模型精度与泛化能力，得到一个高精度的燃滑油换热单元的流动与换热性能预测模型；
9、步骤六：以满足最大的科尔本传热因子 j的同时，获得最小的范宁摩擦系数 f为目的，建立三角形vgs的构型参数多目标优化模型，并确定进气口构型参数变化约束条件，如下所示：
10、(1)
11、 (2)
12、其中，为建立的三角形vgs的构型参数多目标优化模型，和分别是由多目标优化模型计算所得到的科尔本传热因子和范宁摩擦系数；
13、步骤七：在步骤六中建立的多目标优化模型的基础上，采用matlab多目标遗传算法用于解决多目标函数的优化问题，通过选择、交叉和变异来搜索最优解的近似集合，获得pareto解集；
14、步骤八：采用linmap方法通过权重和线性规划技术的结合，同时考虑科尔本传热因子 j和范宁摩擦系数 f的权重做出决策，通过调整权重，平衡两个目标的重要性，从而找到最优的三角形vgs构型参数。
15、进一步，所述步骤五中，建立网络拓扑关系，通过bp神经网络对换热单元性能进行预测，其建立的抽象函数模型为：
16、(3)
17、其中，为科尔本传热因子和范宁摩擦系数的集合，为建立的三角形vgs构型参数神经网络预测模型。
18、所述步骤六到步骤八采用pareto多目标优化方法及linmap决策确定最优的三角形vgs构型参数。
19、本发明采用cfd仿真技术和bp神经网络得到设定工况下三角形vgs构型参数对翼型翅片pche燃滑油换热单元的流动与换热性能预测的预测模型，经pareto多目标优化和linmap决策得到该工况下三角形vgs的优化构型参数。
20、本发明基于带三角形vgs的翼型翅片pche燃滑油换热单元cfd流体数值仿真，创建不同三角形vgs构型参数下换热单元的流动与换热特性数据库，采用bp神经网络方法，建立了设定工况下三角形的顶角 α，三角形的斜边长 l vg，三角形vgs的攻角 β，三角形vgs与临近翼型翅片的水平距离 l a,vg，三角形vgs与临近翼型翅片的垂直距离 l b,vg与科尔本传热因子 j和范宁摩擦系数 f之间的映射关系，构建了三角形vgs构型参数对换热单元的流动与换热特性预测的代理模型。在此基础上，以科尔本传热因子 j和范宁摩擦系数 f作为优化目标，开展了针对三角形vgs各构型参数的多目标优化研究，获得了pareto解集。基于linmap决策方案，得到了优化的三角形vgs构型。
21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22、本发明在典型工况下，基于cfd数值仿真方法，根据不同构型参数下三角形vgs与换热单元的流动与换热特性之间的关系，构建换热单元的流动与换热性能bp神经网络预测模型，并基于此代理模型，能够评估不同构型参数下vgs对换热单元性能的影响。同时，采用多目标优化方法获得pareto解集，并通过linmap决策确定优化的三角形vgs构型。本发明为翼型翅片pche换热单元中三角形vgs构型参数的优化设计提供了一种新的方法和思路。
1.一种航空发动机燃滑油微通道换热单元多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机燃滑油微通道换热单元多目标优化方法，其特征在于，所述步骤五中，建立网络拓扑关系，通过bp神经网络对换热单元性能进行预测，其建立的抽象函数模型为：
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机燃滑油微通道换热单元多目标优化方法，其特征在于，所述步骤六到步骤八采用pareto多目标优化方法及linmap决策确定最优的三角形vgs构型参数。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机燃滑油微通道换热单元多目标优化方法，其特征在于，步骤二中，航空燃油rp-3为冷流体，航空滑油4050为热流体，304不锈钢为换热单元材料。
