一种基于AI的旋叶式流量自分配封头及其自动调控方法与流程

本发明涉及换热器，具体涉及一种基于ai的旋叶式流量自分配封头及其自动调控方法。

背景技术：

1、换热器是调配不同物流之间能量、完成热量输运的通用工艺设备，广泛应用于发电、化工、动力、冶金等大量行业中，尤其是在以超临界二氧化碳为工质的动力循环系统中，换热器对于传递、调配工质之间的能量有着重要作用。

2、随着科技水平的不断提升，人们对核电站、火电站、航空发动机所涉及的动力系统的特殊应用场景越来越重视，缩小设备体积、提高效率、降低设备制造运行成本和自然资源消耗是换热器未来发展的方向之一。

3、目前在常规工业领域在用的换热器主要包括管壳式换热器、套管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等，它们不能同时满足换热比表面积大、焊接强度高、体积小的要求。近年来，随着工业制造水平的提升，以高精度化学蚀刻和真空扩散焊为工艺核心的微通道换热器逐渐走向应用阶段，其微通道尺寸小、紧凑程度高，焊接方式无焊渣、连接处强度接近母材强度，具有明显优势。但是在实际测试微通道换热器的过程中发现，由于此类换热器通道微小且数量庞大，运行工况下工质流速较高，多次观察到使用常规的单个半圆柱形封头内，换热器的堵塞和磨损程度与位置有关，可见不同位置的流体局部流量不相同，这种流量不均匀甚至会影响传热性能。

4、鉴于此，本发明提出了一种基于ai的旋叶式流量自分配封头及自动调控方法，为提高微通道换热器内流体流量分配的均匀性、优化换热器运行参数、缩小设计和实际运行差距提供手段。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对微通道换热器内流道数量多、常规封头分配流量能力较弱的特点，提供一种基于ai的旋叶式流量自分配封头及其自动调控方法，提高了提高微通道换热器内流体流量分配的均匀性。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，包括：一次分配组件和二次分配组件，所述二次分配组件固定设置在所述一次分配组件内部；

4、所述一次分配组件包括：封头和接管，所述封头上设置有与所述接管适配的孔洞，所述接管的一端与所述孔洞固定连接；

5、所述二次分配组件包括：多旋叶组件和固定架，所述多旋叶组件通过所述固定架固定设置在所述封头内，所述二次分配组件与所述接管对应设置。

6、可选地，所述多旋叶组件的旋转轴线与所述接管的中轴线重合，所述固定架的第一端与所述封头的内侧面固定连接，所述固定架的第二端与所述多旋叶组件固定连接；

7、所述固定架上设置有供流体穿过的流道孔。

8、可选地，所述多旋叶组件包括：单旋叶组件、旋转组件和孔板，所述旋转组件与所述固定架固定连接，多个所述单旋叶组件的内端均与所述旋转组件的旋转端固定连接，且多个所述单旋叶组件以旋转端为轴心环形均匀分布；

9、所述孔板设置在所述旋转组件与所述接管之间，且所述孔板与所述固定架固定连接，所述孔板与所述单旋叶组件的旋转平面平行。

10、具体地，所述单旋叶组件包括：叶片和微动组件，所述叶片通过微动组件与所述旋转组件连接，所述微动组件的中轴线与旋转端的中轴线垂直，所述微动组件用于调整所述叶片面对流体的攻角。

11、可选地，所述叶片为样条曲线的片状结构，且多个所述叶片均同向弯曲。

12、可选地，所述旋转组件包括：旋转轴和旋转电机，所述旋转电机与所述固定架固定连接，且所述旋转轴与所述旋转电机的转矩输出轴同轴且固定连接，多个所述单旋叶组件的内端均与所述旋转轴固定连接，且多个所述单旋叶组件以所述旋转轴为轴心环形均匀分布

13、可选地，所述微动组件包括：微动电机和微动转轴，所述叶片通过所述微动转轴和所述微动电机与所述旋转轴连接，所述微动转轴的中轴线与所述旋转轴的中轴线垂直，所述微动电机用于调整所述叶片面对流体的攻角。

14、进一步，所述自分配封头还包括一次流量传感器、二次流量传感器和控制模块，所述一次流量传感器设置在所述接管的周向内侧面，所述二次流量传感器设置在所述孔板的通孔内；

15、所述控制模块与所述一次流量传感器、所述二次流量传感器、所述旋转电机和所述微动电机电连接。

16、一种基于ai的旋叶式流量自分配封头的自动调控方法，基于如上所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，所述自动调控方法包括：

17、在cfd中建模与实物封头结构相同的封头模型，对封头模型进行流体力学仿真；模拟输入为不同的一次流量以及不同的状态参数，模拟输出结果为封头模型内的速度场，获得第个二次流量传感器处的模拟二次流量；一次流量为一次流量传感器处的流量，状态参数包括旋转组件的转速、叶片对流体的攻角；

18、运转实物封头，调整一次流量传感器处的流量和状态参数，获得第个二次流量传感器采集的实际二次流量；

19、构建卷积神经网络模型，通过一次流量、状态参数和模拟二次流量对卷积神经网络进行定性训练；完成定性训练后，通过一次流量、状态参数和实际二次流量对卷积神经网络进行定量训练，获得最终的流量预测模型；

20、确定实际运行中的一次流量，并获得多组状态参数以及其对应的预测二次流量；

21、计算流量分布系数，其中,，为二次流量传感器的总数量，为所有二次流量传感器检测的二次流量的平均值；

22、筛选流量分布系数最小的值对应的状态参数；

23、控制模块根据状态参数对旋转组件和微动组件进行调控；

24、实时监测一次流量，若发生改变则重新计算状态参数并进行调控。

25、具体地，流量预测模型的构建方法包括：

26、搭建卷积神经网络模型，并将一次流量信号、旋转组件的转速、叶片对流体的攻角作为模型输入；将二次流量信号作为模型输出；

27、二次流量传感器采集自分配封头在实际工作状态下的实际二次流量；

28、进行卷积神经网络模型中权值正负的定性训练：将模型输入中的三个变量中的第一个变量增大、控制其他变量不变，输出预测二次流量并计算预测二次流量和实际二次流量的差值，若差值增大或减小，则赋予权值a1至ai全部正号或负号；

29、再将模型输入的第二个变量增大、控制其他变量不变，输出预测二次流量并计算预测二次流量和实际二次流量的差值，若差值仍然增大则不变全部权值的符号，若减少则改变部分权值的符号；

30、将模型输入的第三个变量增大、控制其他变量不变，重复上述步骤并调整部分权值的符号直至预测二次流量和实际二次流量的差值增大为止；

31、获得权值的正负号；

32、进行卷积神经网络模型中权值的定量训练：将一次流量信号、旋转组件的转速和叶片对流体的攻角与对角矩阵卷积核做卷积计算，提取局部特征，将其作为特征提取层c1；

33、对特征提取层c1进行加权计算求和获得权值为a1的特征映射层p1；

34、将特征映射层p1重新与对角矩阵卷积核进行卷积计算获得特征提取层c2；

35、对特征提取层c2进行加权计算求和获得权值为a2的特征映射层p2；

36、迭代运算，直至获得权值为ai的特征映射层pi；

37、对比特征映射层pi输出的预测二次流量与实际二次流量，若两者不相等，则通过优化算法调整权值a1,a2,……,ai，并重新进行卷积计算直至两者相等；

38、获得流量预测模型。

39、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

40、本发明通过组合一次分配组件和二次分配组件，通过二次分配组件的多旋叶组件提供更强的流量均分能力，并且可以根据实现主动和被动分配，并且可以通过ai算法进行动态调控，进一步的提升换热器的运行效率。

技术特征：

1.一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，包括：一次分配组件和二次分配组件，所述二次分配组件固定设置在所述一次分配组件内部；

2.根据权利要求1所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，所述多旋叶组件（3）的旋转轴（32）线与所述接管（2）的中轴线重合，所述固定架（4）的第一端与所述封头（1）的内侧面固定连接，所述固定架（4）的第二端与所述多旋叶组件（3）固定连接；

3.根据权利要求2所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，所述多旋叶组件（3）包括：单旋叶组件（31）、旋转组件和孔板（34），所述旋转组件与所述固定架（4）固定连接，多个所述单旋叶组件（31）的内端均与所述旋转组件的旋转端固定连接，且多个所述单旋叶组件（31）以旋转端为轴心环形均匀分布；

4.根据权利要求3所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，所述单旋叶组件（31）包括：叶片（311）和微动组件，所述叶片（311）通过微动组件与所述旋转组件连接，所述微动组件的中轴线与旋转端的中轴线垂直，所述微动组件用于调整所述叶片（311）面对流体的攻角。

5.根据权利要求4所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，所述叶片（311）为样条曲线的片状结构，且多个所述叶片（311）均同向弯曲。

6.根据权利要求4所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，所述旋转组件包括：旋转轴（32）和旋转电机（33），所述旋转电机（33）与所述固定架（4）固定连接，且所述旋转轴（32）与所述旋转电机（33）的转矩输出轴同轴且固定连接，多个所述单旋叶组件（31）的内端均与所述旋转轴（32）固定连接，且多个所述单旋叶组件（31）以所述旋转轴（32）为轴心环形均匀分布。

7.根据权利要求6所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，其特征在于，还包括一次流量传感器（21）、二次流量传感器（35）和控制模块，所述一次流量传感器（21）设置在所述接管（2）的周向内侧面，所述二次流量传感器（35）设置在所述孔板（34）的通孔内；

9.一种基于ai的旋叶式流量自分配封头的自动调控方法，其特征在于，基于如权利要求8所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头，所述自动调控方法包括：

10.根据权利要求9所述的一种基于ai的旋叶式流量自分配封头的自动调控方法，其特征在于，流量预测模型的构建方法包括：

技术总结
本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种基于AI的旋叶式流量自分配封头及其自动调控方法，自分配封头包括一次分配组件和二次分配组件，所述一次分配组件包括封头和接管，所述二次分配组件包括多旋叶组件和固定架；本发明通过组合一次分配组件和二次分配组件，通过二次分配组件的多旋叶组件提供更强的流量均分能力，并且可以根据实现主动和被动分配，并且可以通过AI算法进行动态调控，进一步的提升换热器的运行效率。

技术研发人员：刘睿龙,黄彦平,臧金光,刘光旭,唐佳,卓文彬
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5