基于CFD和ANN-PSO技术对带有矩形与半圆形肋片的太阳能空气加热器进行热优化与预测建模，并通过实验进行验证

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Thermal optimization and predictive modeling of a solar air heater with combined rectangular and semi-circular ribs using CFD and ANN-PSO techniques with experimental validation

　　•开发了一种具有两种交替连续轮廓的新型太阳能空气加热器CFD模型。•共生成了147组CFD案例，且最优肋片设计已通过实验验证。•对努塞尔数、摩擦因子、TEF值、?效率进行了评估，并进行了贝詹数分析。•构建了ANN-PSO模型，利用CFD结果预测太阳能空气加热器的热性能。•SHAP分析表明，肋片相对高度是影响TEF值的最主要参数，其贡献率为58.2%。这项研究的结果为高性能太阳能空气加热器的开发与优化提供了有用的设计指南，同时也展示了将计算流体力学与人工智能技术结合用于先进热系统设计的潜力。主要研究目标包括：?通过计算方法探究新设计的双轮廓太阳能空气加热器的热行为。?通过计算流体力学模拟确定最优的肋条相对高度，并通过实验验证该最佳配置下的数值预测结果。?利用数值结果开发并应用一种人工神经网络-粒子群优化模型，用于预测太阳能空气加热器的热输出性能。计算流体力学、实验分析、人工神经网络-粒子群优化框架的结合，不仅能够准确预测和优化太阳能空气加热器的性能，还能大幅减少重复进行计算流体力学模拟所需的计算工作量。这一方法为粗糙表面太阳能空气加热器的设计、优化及性能评估提供了一种实用且计算效率高的工具，对学术研究和工程应用都具有重要价值。

模型几何参数
计算流体力学模型的几何结构是使用COMSOL Multiphysics软件构建的，该软件通过有限元方法求解边界值问题。所建立的模型为二维计算域，分为入口区和出口区，测试段的设计遵循ASHRAE标准（1977年），如图1(a)所示。该模型配置与Chaube等人（2006年）的研究一致。在分析过程中，肋条的间距固定为15毫米，同时……

计算流体力学模型的评估
通过保持肋条间距为15毫米不变，改变其相对高度（h/H）的值，来评估所开发的计算流体力学模型的输出结果。研究重点关注传热特性、流动摩擦损失以及整体热增强效应。这些结果随后与在类似环境条件下工作的光滑表面进行了比较。研究发现，由方程（9）和方程（10）分别给出的努塞尔数和摩擦系数关联式具有较好的吻合度。

结论
在本研究中，采用计算流体力学与人工神经网络-粒子群优化相结合的方法，对一种带有双轮廓肋条的新型粗糙表面太阳能空气加热器进行了分析和优化。这类肋条具有矩形与半圆形交叉截面。首先通过计算流体力学模拟分析了肋条相对高度（h/H）和雷诺数（Re）的影响，共生成了147组计算流体力学模拟数据，并使用最优肋条配置（h/H = 1.0）对计算流体力学模型进行了实验验证。之后，利用这些……

作者贡献说明
Pranjal Prasad Newar：模型验证、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。Biplab Das：文章撰写与编辑、研究指导。Shankar Pandit：文章撰写与编辑、结果可视化。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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