Ushbu tadqiqot qo‘shimchali ishlab chiqarish bilan tayyorlanishi mumkin bo‘lgan uch karra davriy minimal sirtli (TPMS) ixcham issiqlik almashgichlarda ichki sirt maydonidan samaraliroq foydalanishni maqsad qiladi. Tadqiqotchilar to‘siqlarni faqat turbulentlikni oshiradigan g‘ovlar sifatida emas, balki issiq va sovuq oqimlarni past qarshilikli qisqa yo‘llardan uzoqlashtiradigan, turg‘un zonalarni kamaytiradigan va ikki oqimning umumiy TPMS devori bo‘ylab uchrashuvini tartibga soladigan oqim boshqaruv elementlari sifatida ko‘rib chiqgan.

Taklif etilgan ikki darajali optimallashtirish usulida tashqi sikl ruxsat etilgan bosim yo‘qotishiga mos keladigan vakillik oqim yo‘li uzunligini izlaydi. Ichki sikl esa yo‘l uzunligi, kirishga yaqin burilishlar, kanal kengligining muntazamligi, o‘lik zonalar hamda issiq-sovuq qarama-qarshi oqim mosligi haqidagi hisoblash jihatidan arzon fizik oldindan bilimlardan foydalanib genetik algoritmni yo‘naltiradi. Yuqori xarajatli COMSOL CFD tahlillari barcha nomzodlarni ko‘rib chiqish uchun emas, dastlabki saralashdan o‘tgan oz sonli dizaynlarning bosim yo‘qotishini tasdiqlash va issiqlik uzatishini saralash uchun ishlatiladi.

Vakillik P turi, 1 m/s kirish tezligi va 20 kPa bosim yo‘qotishi cheklangan holatda taklif etilgan usul atigi 10 CFD baholashi bilan 37,96 W issiqlik uzatishiga erishgan. Xuddi shu cheklov ostida to‘g‘ridan-to‘g‘ri CFD bilan ishlaydigan an’anaviy genetik algoritm taxminan 100 baholash bilan 28,97 W, to‘siqsiz TPMS yadro esa 21,63 W hosil qilgan. Shunday qilib, taklif etilgan dizayn to‘siqsiz etalonga nisbatan %75,5, to‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritmning eng yaxshi amaliy natijasiga nisbatan esa taxminan %31 yuqori issiqlik uzatishini ta’minlagan.

Olti xil TPMS tuzilmasi va ish sharoitida bosim yo‘qotishi chekloviga javob beradigan eng yaxshi dizaynlarning to‘siqsiz ekvivalentlariga nisbatan issiqlik uzatishi oshishi %24,4 bilan %78,6 oralig‘ida bo‘lgan. Biroq faqat vakillik 20 kPa P turi holatida to‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritm bilan to‘liq nazorat qilingan taqqoslash bajarilgan. Natijalar sonli simulyatsiyaga asoslangan; qo‘shimchali ishlab chiqarish bilan tayyorlangan prototip, tajribaviy issiqlik almashgich sinovi, sirt g‘adir-budurligi, ifloslanish, ishlab chiqarish toleransi va konstruktiv mustahkamlik tasdig‘i mavjud emas.

Nega TPMS issiqlik almashgichlarda katta sirt maydoni o‘zi yetarli emas?

Uch karra davriy minimal sirtlar fazoda uch yo‘nalishda takrorlanadigan, silliq egrilikka ega va bir-biriga tegmaydigan ikkita oqim tarmog‘ini hosil qiladigan geometriyalardir. Bu xususiyatlar TPMS tuzilmalarini yuqori sirt maydoni zichligi, uzluksiz oqim kanallari va qo‘shimchali ishlab chiqarishga mos murakkab geometriyalari sabab ixcham issiqlik almashgichlar uchun jozibador qiladi.

Biroq jami ichki sirt maydonining katta bo‘lishi ushbu sirtning barchasi issiqlik uzatishda samarali qatnashadi degani emas. Ikki bog‘langan ochiq kanal tarmog‘ida suyuqlik kirishdan chiqishga eng past qarshilikli yo‘lni tanlashi mumkin. Bunda ayrim hududlarda yuqori tezlikli qisqa tutashuv yo‘llari paydo bo‘lsa, boshqa hududlarda past tezlik, yetarli bo‘lmagan ta’minlanish yoki turg‘unlik kuzatilishi mumkin. Issiqlik almashgichning fizik jihatdan mavjud sirti oqim tomonidan yetarlicha supurilmagani uchun termik jihatdan sust ishlatilishi mumkin.

Tadqiqotning 1-rasmdagi taqqoslash bu mexanizmni aniq ko‘rsatadi. To‘siqsiz tuzilmada oqim chiziqlari kirish va chiqish orasidagi muayyan koridorlarda jamlanadi, yadroning katta qismlari past tezlikda qoladi. To‘siqlar qo‘shilganda issiq va sovuq oqimlarning yo‘llari uzayadi, oqim yadroning turli qismlariga yo‘naltiriladi va past tezlikli zonalarning bir qismi qayta faollashadi.

To‘siqlarning an’anaviy issiqlik almashgichlardan farqli roli

Qobiq-quvur turidagi issiqlik almashgichlarda to‘siqlar ko‘pincha oqimni ko‘ndalang yo‘naltirish, turbulentlikni oshirish va chegara qatlamini buzish uchun ishlatiladi. TPMS kanallarida esa suyuqlik o‘zaro bog‘langan g‘ovaklar orasida turli marshrutlarga o‘ta olgani sabab to‘siqning asosiy vazifasi to‘g‘ridan-to‘g‘ri turbulentlik hosil qilishdan ko‘ra oqim yo‘lini boshqarishdir.

Tadqiqotchilar yondashuvida to‘siq quyidagi vazifalarni bajaradi:

• Kirish va chiqish orasidagi haddan tashqari qisqa va past qarshilikli yo‘llarni to‘sish,
• Oqimni yetarlicha foydalanilmayotgan TPMS hududlariga yo‘naltirish,
• Mahalliy torayish va kengayishlarning haddan tashqari kuchayishini oldini olish,
• Oqimning kirishga yaqin keskin burilishlar bilan ortiqcha bosim yo‘qotishini kamaytirish,
• Issiq va sovuq oqimlarning umumiy devor bo‘ylab qarama-qarshi oqim tartibiga ko‘proq mos harakatlanishini ta’minlash,
• Muayyan nasoslash quvvati yoki bosim yo‘qotishi cheklovi ichida ko‘proq sirtni termik faollashtirish.

Asosiy optimallashtirish muammosi qanday aniqlangan?

Sovuq va issiq tomondagi to‘siq tuzilmalari mos ravishda \(B^c\) va \(B^h\) bilan belgilanadi. Maqsad, bosim yo‘qotishining yuqori chegarasidan oshmasdan CFD bilan hisoblangan issiqlik uzatishini maksimal qilishdir:

\[ \max_{B^c,B^h} J_{\mathrm{CFD}}\left(B^c,B^h\right) \quad \text{koşuluyla} \quad \max\left(\Delta p_c,\Delta p_h\right)\leq\Delta p_{\max} \]

Bu yerda \(J_{\mathrm{CFD}}\) to‘liq oqim va issiqlik uzatish yechimidan olinadigan termik maqsad funksiyasini; \(\Delta p_c\) va \(\Delta p_h\) sovuq va issiq tomondagi bosim yo‘qotishlarini; \(\Delta p_{\max}\) esa har ikki oqim konturi uchun ruxsat etilgan eng yuqori bosim yo‘qotishini bildiradi.

Tadqiqotda yakuniy tanlov mezoni ikki tomonda hisoblangan issiqlik uzatishlarining o‘rtachasidir:

\[ Q=\frac{Q_c+Q_h}{2} \]

\(Q_c\) va \(Q_h\) mos ravishda sovuq va issiq oqim tomonidan hisoblangan issiqlik uzatish qiymatlaridir. Tashqi sirtlar adiabatik bo‘lgan statsionar yechimda bu ikki qiymat bir-biriga yaqin bo‘lishi kutiladi. Ular orasidagi kichik farq sonli energiya balansi qoldig‘ini aks ettiradi.

Nega bosim yo‘qotishi gidravlik byudjet sifatida talqin qilingan?

Barcha taqqoslashlarda hajmiy sarflar doimiy saqlangan. Bitta oqim konturining nasoslash quvvati quyidagi munosabat bilan ifodalanadi:

\[ W_p=\frac{\Delta p\,\dot{V}}{\eta_p} \]

Bu yerda \(W_p\) kerakli nasoslash quvvatini; \(\Delta p\) bosim yo‘qotishini; \(\dot{V}\) hajmiy sarfni va \(\eta_p\) nasos samaradorligini ko‘rsatadi. Sarf va nasos samaradorligi doimiy bo‘lganda, bosim yo‘qotishini cheklash ruxsat etilgan nasoslash quvvatiga yuqori chegara qo‘yish bilan tengdir.

Ikki oqim konturining jami nasoslash quvvati quyidagicha:

\[ W_{p,\mathrm{toplam}}=\frac{\Delta p_c\dot{V}_c}{\eta_c}+\frac{\Delta p_h\dot{V}_h}{\eta_h} \]

Shu sabab tadqiqot bosim yo‘qotishini hisobga olmasdan mumkin bo‘lgan eng yuqori issiqlik uzatishini izlamaydi. Asosiy savol belgilangan gidravlik ruxsat ichida qancha foydali termik quvvat olish mumkinligidir.

Biroq barcha dizaynlarning haqiqiy nasoslash quvvati bir xil emas. Bosim yo‘qotishi cheklovi faqat umumiy yuqori gidravlik ruxsatni belgilaydi. Ayrim dizaynlar bu ruxsatning kichik qismini, boshqalari esa chegaraning deyarli barchasini ishlatadi.

To‘siq geometriyasi sonli jihatdan qanday ifodalangan?

Har bir oqim kanali tuzilmali Karteziyan kataklardan tashkil topgan panjaraga bo‘lingan. Gorizontal va vertikal katak chegaralarida to‘siq bor-yo‘qligi ikkilik matritsalar bilan ifodalangan:

\[ B^Q=\left(B^{H,Q},B^{V,Q}\right) \]

\[ B^{H,Q}\in\{0,1\}^{N_x\times(N_y+1)}, \qquad B^{V,Q}\in\{0,1\}^{(N_x+1)\times N_y} \]

\(Q\) sovuq yoki issiq kanalni; \(B^{H,Q}\) gorizontal to‘siq bo‘laklarini; \(B^{V,Q}\) vertikal to‘siq bo‘laklarini ifodalaydi. Bir qiymati tegishli chegarada to‘siq mavjudligini, nol esa o‘tish ochiq ekanini bildiradi.

Ushbu devor tuzilmasidan suyuqlik yetib bora oladigan kataklarni ko‘rsatuvchi \(C^Q\) kirish mumkinligi maydoni hosil qilingan. Ochiq kataklar graf tugunlari, ular orasida to‘siq bo‘lmagan qo‘shni kataklar esa graf qirralari sifatida belgilangan. Shu tarzda har bir to‘siq tuzilmasi kirishdan chiqishga yetib boriladigan yo‘llarga ega bog‘lanish muammosiga aylantirilgan.

Nega ikki darajali optimallashtirish ishlatilgan?

Har bir genetik algoritm nomzodini to‘g‘ridan-to‘g‘ri to‘liq CFD bilan yechish juda yuqori hisoblash xarajatini keltirib chiqaradi. Tadqiqot bu muammoni vazifalarni tashqi va ichki sikl o‘rtasida ajratish orqali hal qilishga uringan.

Tashqi sikl: bosim chegarasiga mos yo‘l uzunligini topish

Tashqi sikl \(L_{\mathrm{tar}}\) bilan belgilangan maqsadli vakillik yo‘l uzunligini ikkilik qidiruv bilan sozlaydi. Oqim yo‘li uzaygani sari gidravlik qarshilik odatda ortishi kutilgani uchun yo‘l uzunligi bosim yo‘qotishining arzon hisoblanadigan taxminiy boshqaruv o‘zgaruvchisi sifatida ishlatilgan.

Har bir sinov yo‘l uzunligida ichki optimallashtirish nomzod tuzilma yaratadi, nomzod COMSOL bilan yechiladi va ikki tomondagi eng yuqori bosim yo‘qotishi chegara bilan taqqoslanadi. Nomzod chegaradan past bo‘lsa uzunroq yo‘l sinab ko‘riladi; chegaradan oshsa yo‘l qisqartiriladi. Pastki va yuqori yo‘l chegaralari orasidagi farq bir panjara birligidan kam bo‘lganda maqbul maqsad uzunlik aniqlanadi.

Ichki sikl: belgilangan uzunlik uchun to‘siq joylashuvini topish

Ichki sikl sovuq va issiq tomondagi to‘siqlarni genetik algoritm bilan izlaydi. Biroq nomzodlarni CFD bilan emas, oqimning fizik jihatdan qanday harakat qilishi kerakligini taxminan ifodalovchi beshta oldindan bilim bilan baholaydi. Shu tariqa ko‘p sonli geometrik nomzod tez saralanadi, CFD esa faqat umidli kichik nomzodlar to‘plamiga qo‘llanadi.

Tadqiqotning 2-rasmdagi ish oqimida avval bosim yo‘qotishi cheklovi va kirish-chiqish shartlari aniqlanadi, so‘ng tashqi sikl maqsadli yo‘l uzunligini ikkilik qidiruv bilan yangilaydi. Ichki genetik algoritm har bir maqsad uchun issiq va sovuq tomonda nomzod to‘siq tuzilmalarini yaratadi; yakuniy maqsad uzunligida eng yaxshi beshta dizayn to‘liq CFD bilan tasdiqlanib, oxirgi tuzilma tanlanadi.

Vakillik oqim yo‘li qanday chiqarilgan?

Har bir kanalda kirish mumkin bo‘lgan kataklardan tashkil topgan grafda kirish va chiqish orasidagi eng qisqa yo‘l aniqlangan. Bir xil uzunlikdagi bir nechta yo‘l bo‘lsa, eng kam buriladigan yo‘l tanlangan:

\[ P^Q=\left(p^Q_1,p^Q_2,\ldots,p^Q_{n_Q}\right), \qquad p^Q_1=s^Q,\quad p^Q_{n_Q}=t^Q \]

Bu yerda \(P^Q\) vakillik yo‘lini; \(p^Q_m\) yo‘l ustidagi katak markazini; \(s^Q\) va \(t^Q\) kirish va chiqish tugunlarini ko‘rsatadi. Panjara qirralari soni bo‘yicha yo‘l uzunligi quyidagicha:

\[ L(P^Q)=n_Q-1 \]

Yo‘l chiqarilishidan oldin kirish-chiqish bog‘lanishini yoki mahalliy kenglikni o‘zgartirmaydigan ortiqcha devor bo‘laklari olib tashlangan. Bu jarayon fizik oqimga ta’sir qilmaydigan to‘siqlarni genetik algoritm tomonidan afzaldek baholanishining oldini olishni maqsad qilgan.

Oqim oldindan bilimlari qaysi fizik muammolarni ifodalaydi?

1. Maqsadli yo‘l uzunligiga moslik

Vakillik yo‘lining tashqi sikldan kelgan maqsadga qanchalik yaqinligi quyidagi jarima bilan o‘lchanadi:

\[ f^Q_{\mathrm{uzunluk}}=\left|L(P^Q)-L_{\mathrm{tar}}\right| \]

Yo‘l juda qisqa bo‘lsa oqim yadroning yetarli qismini ishlatmasligi mumkin. Haddan tashqari uzun yo‘l esa bosim yo‘qotishini oshirishi mumkin. Bu had to‘siqlar gidravlik byudjetga mos marshrut hosil qilishini ta’minlashga intiladi.

2. Kirish og‘irlikli burilish jarimasi

Oqim yo‘lidagi har bir yo‘nalish o‘zgarishi mahalliy yo‘qotish hosil qilishi mumkin. Tadqiqotda kirishga yaqin burilishlarga yuqoriroq og‘irlik berilgan:

\[ w_{\mathrm{konum}}(i)=1-\frac{i}{n_Q} \]

\(i\) burilishning yo‘ldagi o‘rnini; \(n_Q\) yo‘lning jami tugun sonini ko‘rsatadi. Kirishga yaqin burilish pastki oqim hududining barchasiga ta’sir qilishi mumkinligi sabab chiqishga yaqin burilishdan og‘irroq jazolanadi. Bir-biriga juda yaqin keskin burilishlar ham uzun to‘g‘ri kesimlardan keyingi yakka burilishlarga qaraganda yuqori jarima oladi.

3. Kanal kengligi muntazamligi

Vakillik yo‘li bo‘ylab mahalliy kanal kengliklari o‘lchangan va o‘zgaruvchanlik koeffitsiyenti hisoblangan:

\[ CV_w^Q=\frac{\operatorname{std}\left(\{w_m^Q\}\right)}{\operatorname{mean}\left(\{w_m^Q\}\right)} \]

\(w_m^Q\) yo‘lning tegishli nuqtasida oqim yo‘nalishiga perpendikulyar yo‘nalishda o‘lchangan kirish mumkin bo‘lgan kanal kengligidir. Kenglikning tez-tez torayib-kengayishi oqim taqsimotini buzishi va mahalliy bosim yo‘qotishlarini hosil qilishi mumkin. Kichik o‘zgaruvchanlik koeffitsiyenti yanada muntazam kanal tuzilmasini ifodalaydi.

4. O‘lik zona va ortiqcha yon yo‘l jarimasi

Har bir kirish mumkin bo‘lgan katak uchun kirishdan katakkacha va katakdan chiqishgacha bo‘lgan eng qisqa masofalar yig‘indisi hisoblangan. Bu yig‘indi to‘g‘ridan-to‘g‘ri eng qisqa kirish-chiqish yo‘lidan qancha uzun bo‘lsa, katak shuncha samarasiz yon marshrut sifatida baholangan:

\[ s^Q_{r,c}=d^Q_{\mathrm{giriş},r,c}+d^Q_{\mathrm{çıkış},r,c}-L^Q_{\mathrm{kısa}} \]

Eng qisqa marshrutdagi kataklarning ortiqcha qiymati nol. Kirish mumkin, ammo uzoq aylanma talab qiladigan kataklar musbat jarima oladi. Bog‘lanmagan kataklarga esa eng qisqa yo‘l uzunligining o‘n baravariga teng og‘ir jarima qo‘llanadi. Kanal darajasidagi o‘lik zona mezoni barcha kirish mumkin bo‘lgan kataklarning o‘rtachasidir.

5. Issiq-sovuq qarama-qarshi oqim mosligi

Ideal qarama-qarshi oqimda issiq oqim kirishiga yaqin hudud sovuq oqim chiqishiga, issiq oqim chiqishiga yaqin hudud esa sovuq oqim kirishiga mos kelishi kerak. Tadqiqot ikki kanaldagi normallashtirilgan kirish masofalari yig‘indisini birga yaqinlashtirishni maqsad qiladi:

\[ \frac{d^c_{r,c}}{L_c}+\frac{d^h_{r,c}}{L_h}\approx1 \]

Bu moslikdan og‘ish barcha umumiy kirish mumkin bo‘lgan kataklarda o‘lchanib, \(f_{\mathrm{cf}}\) qarama-qarshi oqim jarimasiga aylantirilgan. Shu tariqa usul faqat sovuq va issiq kanallarni alohida tartibga solmaydi; ikki oqimning umumiy TPMS devori bo‘ylab termik jihatdan mos joylarda uchrashuvini ham baholaydi.

Birlashtirilgan oldindan bilim maqsadi

Bitta kanal uchun yo‘l uzunligi, burilish, kenglik va o‘lik zona mezonlari og‘irlikli tarzda birlashtirilgan:

\[ f^Q_{\mathrm{tek}}=\lambda_{\mathrm{uzunluk}}\frac{f^Q_{\mathrm{uzunluk}}}{L^Q_{\mathrm{kısa}}}+\lambda_{\mathrm{dönüş}}f^Q_{\mathrm{dönüş}}+\lambda_{\mathrm{genişlik}}f^Q_{\mathrm{genişlik}}+\lambda_{\mathrm{ölü}}\frac{f^Q_{\mathrm{ölü}}}{L^Q_{\mathrm{kısa}}} \]

Sovuq va issiq kanallarning umumiy maqsad funksiyasi quyidagicha:

\[ F(B^c,B^h;L_{\mathrm{tar}})=f^c_{\mathrm{tek}}+f^h_{\mathrm{tek}}+\lambda_{\mathrm{cf}}f_{\mathrm{cf}} \]

\(\lambda\) koeffitsiyentlari turli oldindan bilimlarning nisbiy ahamiyatini belgilaydi. Biroq bu koeffitsiyentlarning sonli qiymatlari tadqiqotda xabar qilinmagan. Bu yetishmovchilik algoritmni ayni sozlamalar bilan mustaqil qayta qo‘llashni qiyinlashtiradi.

Bundan tashqari, tenglamalar \(F\) ni jarima hadlari yig‘indisi sifatida quradi va pastroq qiymatlar yaxshiroq ekanini tushuntiradi, biroq almashinuvchi genetik algoritm bo‘limida \(F\) ning “maksimallashtirilgani” yozilgan. Agar tushuntirilmagan fitness transformatsiyasi ishlatilmagan bo‘lsa, bu ifoda maqsad yo‘nalishi nuqtai nazaridan metodologik nomuvofiqlikdir.

Genetik algoritm qanday ishlatilgan?

Sovuq va issiq tomondagi barcha ikkilik to‘siq o‘zgaruvchilarini bir vaqtda optimallashtirish yuqori o‘lchamli kombinator muammo hosil qiladi. Shu sabab tadqiqotchilar almashinuvchi optimallashtirishdan foydalangan:

1. Issiq tomon sobit ushlab turilib, sovuq tomondagi to‘siqlar optimallashtirilgan.
2. Yangilangan sovuq tomon sobitlanib, issiq tomondagi to‘siqlar optimallashtirilgan.
3. Ikki tomon qarama-qarshi oqim mosligi orqali bir-biriga moslashguncha bu jarayon takrorlangan.

Har bir bir tomonlama genetik algoritm bosqichida 100 individlik populyatsiya va 200 avlod ishlatilgan. Ota-onalar turnir tanlovi bilan aniqlangan, krossover qo‘llangan va har bir ikkilik devor o‘zgaruvchisi mustaqil ravishda 0,05 mutatsiya ehtimoli bilan o‘zgartirilgan. Eng yaxshi individ elitizm bilan saqlangan.

Krossover va mutatsiyadan keyin nomzodlarga ta’mirlash jarayoni qo‘llangan. Bu jarayon bog‘lanmagan yoki havoda qolgan to‘siq tuzilmalarini olib tashlagan, kirish-chiqish bog‘lanishini qayta tiklagan va vakillik yo‘li uzunligini tashqi siklning maqsad qiymatiga yaqinlashtirgan. Faqat ta’mirlangan va bog‘lanish shartlarini bajargan nomzodlar oldindan bilim maqsadi bilan baholangan.

CFD modeli va chegara shartlari

To‘liq oqim va issiqlik uzatish tasdig‘i COMSOL Multiphysics 6.4 yordamida bajarilgan. Model zanglamaydigan po‘lat TPMS qattiq jismi bilan ikki qarama-qarshi oqimli suv konturi orasidagi birikkan issiqlik uzatishni yechadi.

• Oqim statsionar va siqilmaydigan deb qabul qilingan.
• Navier-Stokes va energiya tenglamalari birgalikda yechilgan.
• Sovuq oqim kirish harorati 293 K, issiq oqim kirish harorati 353 K qilib sobitlangan.
• Kirishlarda tezlik, chiqishlarda bosim chegara sharti ishlatilgan.
• Suyuqlik-qattiq jism interfeyslarida sirpanmaslik, harorat uzluksizligi va issiqlik oqimi uzluksizligi qo‘llangan.
• Tashqi devorlar issiqlik jihatdan izolyatsiyalangan deb qabul qilingan.
• Barcha usullar ayni panjara, chegara shartlari, yechuvchi sozlamalari va keyingi ishlov usuli bilan taqqoslangan.

Panjaradan mustaqillik tekshiruvi

Panjaraga sezgirlik G turi, 2 m/s tezlik, chuqurlik 1 va 60 kPa maqsadli yakuniy to‘siqli dizaynda o‘rganilgan. COMSOL’ning Normal, Extra fine va Extremely fine panjaralari taqqoslangan.

Extra fine va Extremely fine panjaralar orasida issiqlik uzatish farqi atigi %0,18, ikki tomondagi jami bosim yo‘qotishi farqi esa taxminan %1,05 bo‘lgan. Tadqiqotchilar yuqoriroq hisoblash xarajatidan qochish uchun keyingi barcha tahlillarda Extra fine panjarani ishlatgan.

Vakillik 20 kPa taqqoslashi nimani ko‘rsatgan?

Nazorat qilingan taqqoslash P turi, bir davrli, 1 m/s kirish tezligi va ikki tomon uchun 20 kPa bosim yo‘qotishi cheklangan holatda bajarilgan. To‘siqsiz etalon, to‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritm va oqim oldindan bilimli genetik algoritm ayni CFD yechim sharoitlarida taqqoslangan.

To‘siqsiz yadro issiq tomonda 15,69 kPa bosim yo‘qotishiga yetgan bo‘lsa, sovuq tomonda atigi 0,88 kPa ishlatgan. To‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritmning eng yaxshi amaliy dizayni ham sovuq tomonda 1,98 kPa bilan gidravlik ruxsatning katta qismini ishlatmagan. Taklif etilgan dizayn esa ikki oqim konturini ham 20 kPa chegaraga yaqinlashtirgan va mavjud gidravlik ruxsatni termik quvvatga muvozanatliroq aylantirgan.

3-rasmda to‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritm sovuq tomonda nisbatan qisqa va oddiy marshrut qoldirgani, oqim oldindan bilimli usul esa sovuq oqimni yadroning kengroq qismida aylantirgani ko‘rinadi. Issiq tomondagi yo‘l oddiyroq saqlanib, ikki kanal uchun turli vakillik uzunliklari tanlangan. Yakuniy tuzilmaning sovuq/issiq yo‘l uzunligi 57/15.

4-rasmdagi tezlik maydonlari oqim oldindan bilimli dizayn yuqori tezlikli hududlarni yadroning kattaroq qismiga yoyganini ko‘rsatadi. To‘siqsiz tuzilmada tezlik muayyan koridorlarda jamlangan bo‘lsa, taklif etilgan tuzilmada sovuq va issiq oqim chiziqlari kengroq TPMS maydonini supuradi. Harorat xaritasida ham ikki oqim orasidagi termik o‘tish zonasi kengroq va muntazamroq bo‘lgan.

O‘nta CFD baholashi qanday ishlatilgan?

Taklif etilgan usulning 10 baholashi ikki bosqichga ajratilgan. Dastlabki besh baholash tashqi sikl bosim chegarasiga mos yo‘l uzunligini topishi uchun ishlatilgan. Keyingi besh baholash esa belgilangan 57/15 yo‘l uzunligida genetik algoritmning eng yaxshi besh nomzodini to‘liq CFD bilan tasdiqlagan.

Bosim qidiruvi bosqichidagi ayrim nomzodlar 20 kPa chegaradan oshgan. Bu holat usulning barcha oraliq dizaynlari amaliy degani emasligini ko‘rsatadi. Tashqi siklning vazifasi ushbu buzilishlardan foydalanib yo‘l uzunligi chegarasini tuzatish va yakuniy nomzod to‘plamini bosim chegarasiga yaqinlashtirishdir.

Birinchi bosqichning eng yaxshi amaliy natijasi 36,14 W bo‘lgan, oxirgi besh nomzod tasdiqlangandan keyin esa 37,96 W ga erishilgan. Demak, faqat birinchi bosqich ishlatilganda ham to‘siqsiz va to‘g‘ridan-to‘g‘ri GA etalonlaridan yuqori natija olingan; ikkinchi bosqich qo‘shimcha 1,82 W yaxshilanish bergan.

Olti ish sharoitidagi natijalar

Eng yuqori oshish %78,6 bilan P turi 25 kPa holatida, eng past oshish %24,4 bilan uzunroq 7×12 G turi dizayn maydonida olingan. Tadqiqotchilar uzun va tor tuzilmalarda oqim to‘siqsiz holatda ham muntazamroq va o‘tish yo‘nalishida rivojlangan bo‘lishi mumkinligini; shu sabab qayta faollashtiriladigan turg‘un maydon kamroq qolishini ta’kidlaydi. Shu bilan birga tor geometrik tuzilma yangi to‘siqlarning bosim jarimasini tezroq oshiradi.

Yanada aniq o‘lik zonalarga yoki nomutanosib oqim taqsimotiga ega sharoitlarda to‘siqlarning yaxshilash maydoni kengroq bo‘lgan. Biroq olti sharoitning kirish tezligi, TPMS tuzilmasi, geometrik chuqurligi va bosim cheklovi turlicha. Shu sabab 113,13 W va 37,96 W kabi mutlaq qiymatlar sharoitlar orasida to‘g‘ridan-to‘g‘ri ishlash reytingi tuzish uchun ishlatilmasligi kerak.

Bosim yo‘qotishi grafiklari nimani ko‘rsatadi?

6-rasm tashqi qidiruv va oxirgi besh nomzod davomida sovuq va issiq tomondagi bosim yo‘qotishlarini ko‘rsatadi. P turi holatlarida sovuq va issiq tomon uchun simmetrik yo‘l uzunliklari tanlanganda issiq tomondagi bosim yo‘qotishi juda oshgan, sovuq tomon esa gidravlik chegaradan past qolgan. Tashqi sikl bu nomutanosiblikni turli \(L_c/L_h\) juftlarini tanlash orqali tuzatgan.

Yuqori tezlikli 60 kPa G turi holatida birinchi bosqichdagi faqat eng qisqa yo‘l jufti ikki tomonlama bosim chegarasini bajargan. Oxirgi besh tasdiqlash nomzodining ham faqat birinchi, ikkinchi va beshinchi dizaynlari amaliy qolgan. Bu natija vakillik yo‘li uzunligi bosim yo‘qotishi uchun foydali, ammo mukammal prediktor emasligini tasdiqlaydi.

Issiqlik uzatish grafiklarini qanday talqin qilish kerak?

7-rasmdagi yashil hududlar bosim chegarasini bajargan nomzodlarni, kulrang gorizontal chiziqlar to‘siqsiz etalonlarni ko‘rsatadi. Yakuniy dizayn faqat eng yuqori \(Q\) qiymatiga qarab emas, avvalo bosim chegarasini bajarish sharti bilan tanlangan.

Bosim chegarasidan oshgan ayrim nomzodlar yuqoriroq yoki o‘xshash termik natijalar berishi mumkin bo‘lgan; biroq ular amaliy dizayn deb qabul qilinmagan. Bu farq muhim: to‘siq qo‘shib issiqlik uzatishini oshirishning o‘zi muvaffaqiyat emas. Oshish belgilangan gidravlik ruxsat doirasida yuz berishi kerak.

Ablatsiya tadqiqoti qaysi oldindan bilimlar zarurligini ko‘rsatdi?

Tadqiqotchilar yo‘l uzunligi nazoratini sobit saqlab, qolgan to‘rtta oldindan bilimni bittadan chiqarib tashlagan. Barcha variantlar 57/15 yo‘l juftida baholangan.

Kenglik muntazamligi chiqarilganda issiqlik uzatishi to‘liq usulga yaqin qolgan, biroq issiq tomondagi bosim yo‘qotishi 66,57 kPa bilan chegaraning uch baravaridan oshgan. Bu had bir nechta tor bo‘g‘inda haddan tashqari gidravlik qarshilik to‘planishining oldini oladi.

Kirish og‘irlikli burilish jarimasi olib tashlanganda ikki tomonda ham chegara oshgan. Bu natija ayniqsa kirishga yaqin va tez-tez uchraydigan burilishlar mahalliy bosim yo‘qotishini tartibga solishda muhim ekanini ko‘rsatadi.

O‘lik zona jarimasi chiqarilganda issiqlik uzatishi atigi 0,24 W kamaygan; issiq tomonda 0,72 kPa chegara oshishi yuz bergan. Tanlangan asosiy tuzilma allaqachon kam o‘lik zonaga ega bo‘lgani uchun bu hadning termik ta’siri cheklangan, gidravlik tartibga soluvchi ta’siri esa aniqroq bo‘lgan.

Issiq-sovuq qarama-qarshi oqim mosligi chiqarilganda bosim chegarasi saqlangan, biroq \(Q\) 37,96 W dan 36,20 W gacha kamaygan. Bu had gidravlik amaliylikni ta’minlash uchun emas, ikki oqimning umumiy sirtdagi termik mosligini yaxshilash uchun ishlaydi.

Tadqiqot ko‘rsatgan asosiy mexanizm

Natijalar TPMS yadrosiga shunchaki ko‘proq to‘siq qo‘shish avtomatik ravishda yaxshiroq issiqlik almashgich yaratmasligini ko‘rsatadi. To‘siqlarning joylashuvi, issiq va sovuq oqim yo‘llari, mahalliy kanal kengligi va bosim yo‘qotishining ikki kontur orasidagi taqsimoti birgalikda muhim.

Taklif etilgan usul muvaffaqiyati o‘zaro bog‘langan uch ta’sirdan kelib chiqadi:

1. Oqim kirish va chiqish orasidagi past qarshilikli qisqa tutashuv yo‘llaridan uzoqlashtirilgan.
2. TPMS yadroning kattaroq qismi yuqori yoki o‘rta tezlikdagi oqim bilan supurilgan.
3. Issiq va sovuq oqimlarning umumiy devor bo‘ylab harakat yo‘nalishlari yanada mos qarama-qarshi oqim tartibiga keltirilgan.

Shu tariqa ayni bosim yo‘qotishi yuqori chegarasi ostida ko‘proq ichki sirt foydali issiqlik uzatishda qatnashgan. Tadqiqotchilar “sirtni faollashtirish” deb ta’riflagan tushuncha mavjud geometrik maydonning oqim va harorat farqi tomonidan amalda ishlatilishidir.

Tadqiqot nimani qo‘llab-quvvatlaydi?

Tadqiqot muayyan sonli sharoitlarda oqim oldindan bilimlari bilan yo‘naltirilgan to‘siq joylashuvi TPMS yadrolarda bosim yo‘qotishi chegarasidan oshmasdan to‘siqsiz dizaynga qaraganda yuqoriroq issiqlik uzatishini bera olishini qo‘llab-quvvatlaydi.

Vakillik 20 kPa holatida ayni ikkilik devor ifodasi, ta’mirlash usuli, CFD yechimi va bosim chegarasi ishlatilganda oqim oldindan bilimli usul to‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritmga qaraganda yuqoriroq \(Q\) qiymatiga taxminan o‘ndan bir CFD baholashi bilan erishgan.

Olti sharoitdagi natijalar usul turli P va G turi tuzilmalar, tezliklar, geometrik chuqurliklar va bosim chegaralarida amaliy nomzodlar topa olganini ko‘rsatadi. Biroq to‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritm taqqoslashi faqat bitta sharoitda to‘liq bajarilgani sabab barcha sharoitlarda algoritmik ustunlik isbotlangan emas.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

• Optimallashtirilgan to‘siqlarni metall qo‘shimchali ishlab chiqarish bilan nuqsonsiz tayyorlash mumkinligi ko‘rsatilmagan.
• Haqiqiy prototipda issiqlik uzatish yoki bosim yo‘qotishi o‘lchanmagan.
• Sirt g‘adir-budurligi, bosma nuqsonlar, kanal tiqilishi, ifloslanish va uzoq muddatli korroziya ta’sirlari modellashtirilmagan.
• To‘siqlarning TPMS yadroning mexanik mustahkamligi va charchash umriga ta’siri o‘rganilmagan.
• Jami nasoslash quvvati to‘g‘ridan-to‘g‘ri maqsad funksiyasi sifatida optimallashtirilmagan; bosim yo‘qotishi yuqori chegarasi taxminiy gidravlik byudjet sifatida ishlatilgan.
• O‘zgaruvchan sarfli, vaqt bo‘yicha o‘zgaruvchi yoki ikki fazali ish sharoitlari baholanmagan.
• Taklif etilgan usul barcha TPMS topologiyalarida yoki barcha Reynolds sonlarida ustun ekani ko‘rsatilmagan.
• Algoritmning genetik og‘irliklari va ayrim qayta ishlab bo‘lish sozlamalari to‘liq xabar qilinmagan.
• Usul peer review dan o‘tmagan.

Turkiya uchun muhandislik qiymati

Turkiyada energetika, mudofaa, aviatsiya, vodorod tizimlari, issiqlik nasoslari, quvvat elektronikasi, batareya termik boshqaruvi va chiqindi issiqlikni qayta tiklash sohalarida kichikroq hajmda yuqoriroq issiqlik uzatishini ta’minlaydigan issiqlik almashgichlarga ehtiyoj bor. TPMS tuzilmalar metall qo‘shimchali ishlab chiqarish bilan tayyorlanishi mumkinligi sabab tadqiqot faqat nazariy geometriya tahlili emas, balki ilg‘or ishlab chiqarish bilan birlashtiriladigan dastlabki loyiha usulini taqdim etadi.

Usulning Turkiyadagi tadqiqot va mahsulot ishlab chiqish ishlariga ko‘chirilishi mumkin bo‘lgan jihatlari:

• Mahalliy ishlab chiqarilgan TPMS namunalarida to‘siq joylashuvini bosishdan oldin optimallashtirish,
• Nasos yoki kompressor quvvati cheklangan tizimlarda bosim yo‘qotishi yuqori chegarasini to‘g‘ridan-to‘g‘ri dizayn cheklovi sifatida ishlatish,
• CFD xarajatini kamaytirish uchun geometriyaga xos oqim oldindan bilimlarini yaratish,
• Issiq va sovuq oqim kanallarini mustaqil emas, o‘zaro termik moslik bilan optimallashtirish,
• Qo‘shimchali ishlab chiqarish toleransi, minimal devor qalinligi va tayanch talabini genetik algoritmning ta’mirlash bosqichiga kiritish,
• Sonli natijalarni bosim datchiklari, sarf o‘lchagichlar va kalorimetrik issiqlik balansi bilan tajribada tasdiqlash.

Haqiqiy Turkiya qo‘llanmasida tadqiqot bevosita yakuniy dizayn retsepti sifatida ishlatilmasligi kerak. Suv o‘rniga moy, havo, sovutgich yoki yoqilg‘i ishlatilsa; harorat oralig‘i, material, sirt sifati va nasos samaradorligi o‘zgarsa, optimallashtirish qaytadan bajarilishi kerak.

Tadqiqot usuli va topilmalari

Texnik usul xulosasi

Vakillik taqqoslashning asosiy natijalari

• Taklif etilgan usul 37,96 W bilan to‘siqsiz etalondan %75,5 yuqori issiqlik uzatishini hosil qilgan.
• To‘g‘ridan-to‘g‘ri genetik algoritmning 28,97 W natijasiga nisbatan oshish taxminan %31.
• Taklif etilgan usul 10, to‘g‘ridan-to‘g‘ri GA esa taxminan 100 CFD baholashidan foydalangan.
• Sovuq va issiq tomondagi samaradorlik %82,54 gacha ko‘tarilgan.
• Bosim yo‘qotishlari 19,38 va 19,79 kPa bilan 20 kPa chegaradan past qolgan.
• To‘g‘ridan-to‘g‘ri GA sovuq tomonda atigi 1,98 kPa ishlatib, gidravlik ruxsatni nomutanosib qoldirgan.
• Yakuniy vakillik yo‘l uzunliklari sovuq tomonda 57, issiq tomonda 15 panjara qadami.

Olti sharoitdan chiqarilgan umumiy topilmalar

• To‘siqli dizaynlar barcha sharoitlarda to‘siqsiz etalondan yuqori \(Q\) hosil qilgan.
• Amaliy yutuq diapazoni %24,4–%78,6.
• Uzunroq va torroq dizayn maydonida yaxshilanish nisbati pasaygan.
• Oqim taqsimoti ko‘proq nomutanosib yadrolarda to‘siqlar qayta faollashtira oladigan sirt maydoni kattaroq bo‘lgan.
• Vakillik yo‘l uzunligi bosim yo‘qotishi bilan bog‘liq bo‘lsa-da, o‘zi mutlaq amaliylik kafolatini bermagan.
• Oxirgi besh nomzodning CFD tasdig‘i ayrim sharoitlarda birinchi bosqich natijasini kichik, ammo o‘lchanadigan miqdorda yaxshilagan.

Tadqiqotning kuchli tomonlari

• Ayni ikkilik dizayn ifodasi va ayni CFD protokoli ostida nazorat qilingan algoritm taqqoslashi bajarilgan.
• Bosim yo‘qotishi keyinroq xabar qilinadigan chiqish emas, to‘g‘ridan-to‘g‘ri amaliylik cheklovi sifatida ishlatilgan.
• Issiqlik uzatishidagi oshish tezlik, harorat va ikki tomondagi oqim chiziqlari bilan mexanizm darajasida o‘rganilgan.
• Panjaradan mustaqillik tadqiqoti bilan sonli yechim sezgirligi tekshirilgan.
• Turli TPMS tuzilmalari, tezliklar, geometrik chuqurliklar va bosim chegaralari sinovdan o‘tkazilgan.
• Ablatsiya tahlili bilan har bir fizik oldindan bilimning gidravlik va termik roli alohida baholangan.
• CFD genetik algoritmning har bir qadamida ishlatilmagani uchun hisoblash xarajati sezilarli kamaygan.

Qayta ishlab bo‘lish va talqin cheklovlari

• Oqim oldindan bilimlarini birlashtiruvchi \(\lambda\) og‘irliklarning sonli qiymatlari berilmagan.
• Jarima funksiyasi tenglamalarda minimallashtirilishi kerak bo‘lsa-da, algoritm tavsifida “maksimallashtirish” ifodasi ishlatilgan.
• Genetik algoritmning to‘xtash mezoni va almashinuv aylanishlarining aniq soni batafsil berilmagan.
• TPMS va dizayn maydonlarining barcha fizik o‘lchamlari asosiy matnda yetarli batafsil taqdim etilmagan.
• To‘g‘ridan-to‘g‘ri GA taqqoslashi olti sharoitning faqat bittasida mavjud.
• CFD baholashlari soni taqqoslangan bo‘lsa-da, jami protsessor vaqti va apparat ma’lumoti berilmagan.
• Tajribaviy prototip tasdig‘i mavjud emas.
• Material xususiyatlarining haroratga bog‘liq o‘zgarishi batafsil xabar qilinmagan.
• Ishlab chiqarish toleransi, minimal bosib chiqariladigan kanal, tayanch tuzilmalari va kukun tozalash talablari optimallashtirishga kiritilmagan.
• Konstruktiv kuchlanish, termik charchash va bosimga chidamlilik o‘rganilmagan.
• Ifloslanish va uzoq muddatli ishlash ta’sirlari modellashtirilmagan.

Manba va usul eslatmasi

• Tadqiqotning to‘liq asl nomi: Baffle optimization for TPMS compact heat exchangers via flow priors under hydraulic constraints
• Mualliflar va tartibi: Lingxin Cao; Xiangjun Wu; Hanyue Xu; Xiaowei Duan; Bingteng Sun; Qiang Du; Dechun Li; Lin Lu
• Teng hissa yoki teng birinchi mualliflik: Ko‘rsatilmagan.
• Mas’ul muallif: Lin Lu
• Mas’ul muallif elektron pochtasi: Tadqiqotda ko‘rsatilmagan.
• Muassasa 1: School of Information Science and Engineering, Shandong University, Qingdao, Shandong, Xitoy
• Muassasa 2: School of Computer Science and Technology, Shandong University, Qingdao, Shandong, Xitoy
• Muassasa 3: Advanced Gas Turbine Laboratory, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Pekin, Xitoy
• DOI: 10.2139/ssrn.6944970
• Nashr platformasi: SSRN
• Platforma operatori: Elsevier
• Asl nashriyot: Qo‘llanilmaydi. SSRN preprint platformasi bo‘lib, ko‘rib chiqilgan versiya peer-reviewed jurnal nashri emas.
• Peer-reviewed jurnal: Tadqiqotda qabul qilingan yoki nashr etilgan peer-reviewed jurnal nomi ko‘rsatilmagan.
• Nashr yili: 2026
• Manba turi: CFD asosidagi sonli optimallashtirish tadqiqoti xususiyatidagi preprint
• Peer review holati: Tadqiqot peer review dan o‘tmagan.
• Rasmiy SSRN havolasi:SSRN tadqiqot sahifasi
• DOI havolasi:10.2139/ssrn.6944970

Yuklangan versiya DOI va pastki yozuv sifatida SSRN 6944970 qaydidan foydalanadi. Xuddi shu asl sarlavha va mualliflar ro‘yxati bilan SSRN 6878424 raqamli oldingi qayd ham mavjud. Tadqiqot bu ikki qayd orasidagi munosabat avvalgi versiya, tuzatilgan versiya yoki takroriy qayd ekanini tushuntirmaydi. Shu sabab iqtibos keltirishda ko‘rib chiqilgan joriy faylga mos 10.2139/ssrn.6944970 ishlatilishi kerak.

Tadqiqot National Natural Science Foundation of China tomonidan U25A20438, 62472258 va 52488101 raqamli grantlar, shuningdek Qingdao Postdoctoral Science Foundation tomonidan QDBSH20250202009 raqamli grant bilan qo‘llab-quvvatlangan.

Muallif hissasi rollari, ma’lumot yoki kodga kirish havolasi va ochiq manfaatlar to‘qnashuvi bayonoti tadqiqotda mavjud emas. Genetik algoritmning dastur kodi, COMSOL model fayllari va optimallashtirilgan barcha ikkilik devor matritsalari ochiq arxiv havolasi bilan taqdim etilmagan.

Ushbu o‘zbekcha izoh tadqiqot matni, tenglamalari, algoritm oqim sxemasi, to‘siq joylashuvlari, tezlik va harorat maydonlari, oqim chiziqlari, bosim yo‘qotishi grafiklari, issiqlik uzatish grafiklari, jadvallari va ablatsiya taqqoslashlari ko‘rib chiqilib tayyorlangan. Ilmiy mazmun faqat o‘rganilgan tadqiqotga asoslanadi; tashqi manbalar faqat DOI, muallif qaydi, platforma va nashr holatini bibliografik tasdiqlash uchun ishlatilgan.

Tadqiqot natijalari sonli dizayn darajasidadir. Xabar qilingan %24,4–%78,6 oshishlar tajribaviy qurilma o‘lchovlari emas, balki muayyan geometriya, suyuqlik, tezlik, harorat va bosim yo‘qotishi chegaralari ostida bajarilgan COMSOL simulyatsiyalarining natijalaridir. Topilmalarni haqiqiy mahsulot ishlashiga aylantirish uchun qo‘shimchali ishlab chiqarish bilan prototip tayyorlash, bosim va harorat o‘lchovlari, kalorimetrik tasdiq, ishlab chiqarish toleransi tahlili va uzoq muddatli chidamlilik sinovlari zarur.