【摘 要】
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过程强化是现代化工过程研究的重要部分。传热强化通过在管内添加静态混合器来提高对流换热系数,已有大量针对静态混合器构效关系的研究并得到不同适用范围的经验关联式,但这些研究都没有注重实验设计方法可能带来的影响。本文提出了一种结合拉丁超立方抽样（Latin hypercube sampling,LHS）和偏最小二乘回归（Partial least squares regression,PLS）的实验设计
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过程强化是现代化工过程研究的重要部分。传热强化通过在管内添加静态混合器来提高对流换热系数,已有大量针对静态混合器构效关系的研究并得到不同适用范围的经验关联式,但这些研究都没有注重实验设计方法可能带来的影响。本文提出了一种结合拉丁超立方抽样（Latin hypercube sampling,LHS）和偏最小二乘回归（Partial least squares regression,PLS）的实验设计新方法,实现了在相同实验数量下对更广泛变量空间的探索。本文选择Kenics静态混合器的传热性能作为研究背景对新型实验设计方法进行探究,并将所得统计关联式与已有的经验关联式进行对比,验证了LHS-PLS的有效性。以结构特征长径比Ar与流动特征雷诺数Re为预定变量,以相对努塞尔数Nu Nu0和相对摩擦因子λλ0为响应变量,利用LHS-PLS模型得到Ar、Re对Nu Nu0和λλ0的统计关联式,证明了长径比Ar对Nu Nu0和λλ0的影响最大,并通过变换统计关联式证明了热工水力学性能系数η关于Ar的系数为8.36,说明两者呈正相关关系。此外,本文还提出了一种在得分图上标出Nu Nu0和λλ0的梯度下降线方法,可以找到样本集中η最大的点。最后利用流场模拟从涡旋与湍动能耗散的角度对统计模型的结果进行印证。本文扩展了标准Kenics静态混合器的结构设计,对其默认的中心对称结构与180°体旋转角的研究。基于LHS-PLS对信息提取能力以及底层逻辑的分辨度,引入了偏心因子γ与体旋转角θ这两个无量纲的结构特征。通过对比PLS模型的统计学指标与单因素分析的结果,论证得出中心对称结构可以提供最低的压降损失,但向后偏心的结构可以提高η;体旋转角对传热性能的影响则需要综合考虑其与长径比、雷诺数的相互作用。
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