基于Kriging模型的马蹄焰玻璃窑蓄热室性能参数优化研究

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蓄热室是马蹄焰玻璃窑余热回收、能源循环再利用的重要设备,它对于降低玻璃窑炉整体能耗有着重要的作用。性能优良的蓄热室不但可以避免大量的能源浪费,还可以增强玻璃窑炉的工作稳定性,提高窑炉使用寿命。然而蓄热室是一种复杂换热系统,其性能优化是非常困难和耗时的,特别是多目标优化时,存在计算量大、效率低等问题,如何快速有效地提高蓄热室的性能已经成为了玻璃产业亟待解决的问题。针对马蹄焰玻璃窑蓄热室性能优化耗时困难的问题,本文提出了一种基于Kriging模型的性能参数智能迭代优化方法,以马蹄焰玻璃窑蓄热室为研究对象,首先建立了蓄热室的热效率、出口温度均匀性、蓄热室内部温差指标评估模型,其次构建了基于流体计算力学的蓄热室加热期和冷却期数值仿真模型,然后在指标模型和数值仿真模型的基础上运用正交实验分析确定优化参数,最后构建了基于Kriging模型的蓄热室性能多目标优化模型并结合NSGA-Ⅱ算法求解最优参数组合,主要内容如下:1.为了定量评价蓄热室的性能优劣,在分析马蹄焰玻璃窑各部分能源传递关系及蓄热室的热工特性前提下,建立了基于流体热力学变化规律的蓄热室热效率模型,同时还建立温度均匀性模型以及温差模型。2.针对马蹄焰玻璃窑实验成本较高的问题,引入数值模拟仿真增加蓄热室数据的全面性和代表性。首先建立基于热力学性能的流体模型,同时考虑了蓄热室特殊的内部结构,建立了多孔介质模型和热源UDF模型来模拟格子体复杂的内部特性,然后运用数值分析方法求解基于多模型耦合的蓄热室CFD模型,最后将数值求解结果与实际生产数据对比发现,本文所构建的CFD模型的最大相对误差小于10%,这说明该模型能够为蓄热室优化提供可靠的计算数据。3.由于蓄热室属于一种复杂换热系统,其可优化参数众多,为了确定具有优化意义的参数,首先设计了六因素三水平的27组正交实验,同时采用评分法综合考虑热效率、温度均匀性、温差三响应之间的性能综合响应值,然后综合考虑了直观分析和方差分析的结果,确定助燃空气速度、助燃空气温度、烟道口面积及格子体孔隙率为优化参数,最后分别探讨了四个优化参数对于各个性能指标的单因素影响规律。4.针对传统的蓄热室优化方法存在计算量大、效率低等问题,为了快速有效地提高蓄热室性能,首先在蓄热室CFD模型和性能指标模型的基础上,结合拉丁超立方采样技术获取数据样本集,然后再以数据样本集为基础构建并验证了基于Kriging的蓄热室热效率、温度均匀性、温差近似模型,最后以基于Kriging的蓄热室性能近似模型为基础,构建蓄热室性能多目标优化模型并运用NSGA-Ⅱ算法求解参数最优组合,通过对比优化方案与初始方案的性能指标来验证优化方法的有效性。
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