本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或優(yōu)化算法，具體涉及基于群優(yōu)化算法的地暖保溫模塊智能設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、地暖保溫模塊作為現(xiàn)代建筑取暖系統(tǒng)中的重要組成部分，其設(shè)計(jì)和性能直接影響到室內(nèi)的熱舒適度和能源利用效率。隨著全球能源短缺和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，如何提高地暖系統(tǒng)的能效，減少能耗，成為當(dāng)前取暖技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。在現(xiàn)有技術(shù)中，多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)因其良好的導(dǎo)熱性能和熱傳遞效率，被廣泛應(yīng)用于地暖保溫模塊的設(shè)計(jì)。然而，傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)地暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在一些亟待解決的問題，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的能效表現(xiàn)和用戶體驗(yàn)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，多孔介質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能通常通過選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料來提高。例如，傳統(tǒng)地暖保溫模塊多使用石墨、鋁合金等高導(dǎo)熱材料，這些材料在一定程度上能夠提高熱傳導(dǎo)效率，確保地板表面溫度均勻分布。然而，這種方法存在明顯的局限性。首先，導(dǎo)熱性能僅依賴材料本身的物理性質(zhì)，而忽略了材料的微觀結(jié)構(gòu)和多尺度特性對(duì)熱傳導(dǎo)效率的影響。實(shí)際應(yīng)用中，多孔介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，不同孔隙率和孔徑分布會(huì)顯著影響熱流的傳導(dǎo)路徑和速度，使得熱能在材料內(nèi)部的分布不均勻，導(dǎo)致局部過熱或過冷的現(xiàn)象。這種不均勻的熱分布不僅降低了整體系統(tǒng)的能效，還可能引發(fā)用戶的不適感，影響室內(nèi)環(huán)境的舒適度。其次，現(xiàn)有的優(yōu)化方法大多基于單尺度模型，這些模型通常假設(shè)材料的熱傳導(dǎo)是均勻的，忽略了不同尺度上的熱傳導(dǎo)特性及其對(duì)宏觀性能的影響。在現(xiàn)實(shí)中，多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程涉及微觀尺度（例如，孔隙內(nèi)部的熱流）、介觀尺度（例如，孔隙與固體相之間的熱交換）和宏觀尺度（例如，整體材料的熱傳導(dǎo)）多個(gè)層次。這種多尺度特性使得熱傳導(dǎo)路徑更加復(fù)雜和多樣，傳統(tǒng)的單尺度模型難以準(zhǔn)確描述這些復(fù)雜的物理過程，從而無法在優(yōu)化設(shè)計(jì)中充分考慮材料結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供基于群優(yōu)化算法的地暖保溫模塊智能設(shè)計(jì)方法，提高了地暖系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)效率或溫度均勻性。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、基于群優(yōu)化算法的地暖保溫模塊智能設(shè)計(jì)方法，所述方法包括：步驟1：創(chuàng)建一個(gè)基于分形理論的多尺度熱傳導(dǎo)模型，將多尺度熱傳導(dǎo)模型中的溫度場(chǎng)和多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行多尺度展開，得到溫度多尺度展開結(jié)果和熱傳導(dǎo)系數(shù)多尺度展開結(jié)果；步驟2：使用水平集方法對(duì)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化，得到參數(shù)化結(jié)果；步驟3：根據(jù)溫度多尺度展開結(jié)果和熱傳導(dǎo)系數(shù)多尺度展開結(jié)果，進(jìn)行均質(zhì)化處理，將微觀尺度的信息集成到宏觀尺度的方程中，得到一個(gè)宏觀尺度的有效熱傳導(dǎo)方程，作為均質(zhì)化結(jié)果，基于均質(zhì)化結(jié)果計(jì)算有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；步驟4：根據(jù)得到的均質(zhì)化結(jié)果和有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，定義拓?fù)鋬?yōu)化問題，所述拓?fù)鋬?yōu)化問題的優(yōu)化目標(biāo)為最大熱傳導(dǎo)效率或溫度分布均勻性最大，定義拓?fù)鋬?yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)；將參數(shù)化結(jié)果代入到拓?fù)鋬?yōu)化問題中進(jìn)行求解，使得有效熱傳導(dǎo)系數(shù)最大，提取此時(shí)的參數(shù)化結(jié)果對(duì)應(yīng)的水平集函數(shù)，作為優(yōu)化后的多孔結(jié)構(gòu)。

4、進(jìn)一步的，步驟1中創(chuàng)建的基于分形理論的多尺度熱傳導(dǎo)模型使用如下公式進(jìn)行表示：

5、；

6、其中，表示溫度場(chǎng)；表示時(shí)間；是一個(gè)三維空間向量，代表了三維空間中的一個(gè)位置坐標(biāo)；表示材料密度；表示比熱容；表示多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)；表示熱源項(xiàng)；表示相變潛熱；表示相變函數(shù)；表示尺度參數(shù)；表示分形維數(shù)；表示拉普拉斯算子。

7、進(jìn)一步的，多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)使用如下公式計(jì)算得到：

8、；

9、其中，表示參考尺度，為設(shè)定值；表示基準(zhǔn)熱傳導(dǎo)系數(shù)，為設(shè)定值；表示溫度梯度敏感系數(shù)，為設(shè)定值；相變函數(shù)使用平滑化的heaviside函數(shù)來描述表示：

10、；

11、其中，表示相變溫度；表示相變溫度范圍。

12、進(jìn)一步的，步驟1中將多尺度熱傳導(dǎo)模型中的溫度場(chǎng)和多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行多尺度展開，得到溫度多尺度展開結(jié)果和熱傳導(dǎo)系數(shù)多尺度展開結(jié)果的方法為：

13、；

14、；

15、其中，是快變量；是多尺度熱傳導(dǎo)系數(shù)的階展開項(xiàng)；是溫度場(chǎng)的階展開項(xiàng)；為取值為0到2的自然數(shù)；表示所有隨變化的階數(shù)高于或等于3的項(xiàng)的集合。

16、進(jìn)一步的，步驟2中使用的水平集函數(shù)使用如下公式進(jìn)行表示：

17、；

18、其中，為水平集函數(shù)；表示固體區(qū)域；表示流體區(qū)域；表示界面；使用水平集函數(shù)，定義一個(gè)平滑的heaviside函數(shù)來表示材料分布，作為參數(shù)化結(jié)果：

19、；

20、其中，為定義平滑參數(shù)，為一個(gè)正數(shù)。

21、進(jìn)一步的，步驟3中根據(jù)溫度多尺度展開結(jié)果和熱傳導(dǎo)系數(shù)多尺度展開結(jié)果，進(jìn)行均質(zhì)化處理得到的宏觀尺度的有效熱傳導(dǎo)方程使用如下公式進(jìn)行表示：

22、；

23、其中，表示宏觀尺度的平均溫度場(chǎng)，定義為：

24、，

25、其中是代表性體積單元；是有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，通過下述公式計(jì)算：

26、；

27、其中為多尺度展開結(jié)果中的階項(xiàng)，是在不同尺度上定義的形函數(shù)；代表微觀結(jié)構(gòu)中的流體區(qū)域體積，在均質(zhì)化處理過程中，表示在多孔介質(zhì)內(nèi)部，熱量傳導(dǎo)發(fā)生的流體區(qū)域體積。

28、進(jìn)一步的，基于均質(zhì)化結(jié)果，計(jì)算得到的有效熱傳導(dǎo)系數(shù)使用如下公式進(jìn)行表示：

29、；

30、其中，為宏觀尺度的有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，描述了多孔介質(zhì)在宏觀尺度下的等效熱傳導(dǎo)能力；:溫度場(chǎng)的梯度絕對(duì)值，表示溫度變化的空間速率；為體積微元，表示積分操作在體積上進(jìn)行。

31、進(jìn)一步的，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)為最大熱傳導(dǎo)效率時(shí)，步驟4中定義的拓?fù)鋬?yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)使用如下公式進(jìn)行表示：

32、；

33、其中，表示設(shè)定的第一權(quán)重系數(shù)。

34、進(jìn)一步的，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)為最大熱傳導(dǎo)效率時(shí)，步驟4中定義的拓?fù)鋬?yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)使用如下公式進(jìn)行表示：

35、；

36、其中，為平均溫度；為最高溫度；為最低溫度；為設(shè)定的第二權(quán)重系數(shù)。

37、本發(fā)明的基于群優(yōu)化算法的地暖保溫模塊智能設(shè)計(jì)方法，具有以下有益效果：

38、本發(fā)明顯著提高了地暖保溫模塊的熱傳導(dǎo)效率。通過引入分形理論和多尺度展開方法，本發(fā)明能夠精確描述多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)行為，并將其優(yōu)化為最大熱傳導(dǎo)效率的狀態(tài)。在多孔介質(zhì)中，熱量的傳遞不僅依賴于材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)，還受到材料內(nèi)部復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的顯著影響。本發(fā)明的多尺度展開方法，能夠捕捉到微觀尺度下的熱流動(dòng)特征，尤其是孔隙內(nèi)部的熱傳導(dǎo)路徑和微觀尺度上的熱交換過程。通過對(duì)這些多尺度特性的精確建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)，本發(fā)明可以更有效地引導(dǎo)熱流沿著最優(yōu)路徑傳遞，從而大幅度提升地暖系統(tǒng)的整體熱傳導(dǎo)效率。

39、其次，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了溫度分布的高度均勻性。溫度分布的均勻性是衡量地暖系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到室內(nèi)環(huán)境的舒適度和能源利用效率。本發(fā)明在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不僅考慮了熱傳導(dǎo)效率的最大化，還通過引入高階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)和溫度梯度的歸一化處理，有效減少了溫度場(chǎng)中的局部波動(dòng)和不均勻性。特別是通過拓?fù)鋬?yōu)化方法和水平集函數(shù)的應(yīng)用，本發(fā)明能夠精細(xì)調(diào)整材料的微觀結(jié)構(gòu)和界面形狀，確保溫度場(chǎng)在整個(gè)地暖模塊內(nèi)達(dá)到最佳的均勻性。這種高度均勻的溫度分布，不僅提高了地暖系統(tǒng)的能效，還顯著提升了室內(nèi)熱舒適度，減少了冷熱不均帶來的不適感。

40、再次，本發(fā)明有效解決了多孔介質(zhì)界面條件的優(yōu)化問題。多孔介質(zhì)內(nèi)部固體和流體區(qū)域的界面形狀和位置，對(duì)熱傳導(dǎo)路徑和效率有著重要影響。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，界面條件的處理往往比較簡(jiǎn)單，難以靈活適應(yīng)復(fù)雜的幾何變化和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而本發(fā)明通過引入水平集方法，可以靈活調(diào)整界面的形狀和位置，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)熱傳導(dǎo)路徑。水平集函數(shù)的使用，使得界面的表示更加靈活且連續(xù)，避免了數(shù)值計(jì)算中的不穩(wěn)定性。同時(shí)，平滑化的heaviside函數(shù)確保了界面過渡的平滑性和可微性，有助于優(yōu)化過程中界面形狀的合理調(diào)整。這種方法的應(yīng)用，使得本發(fā)明在優(yōu)化地暖模塊結(jié)構(gòu)的過程中，可以更精確地控制材料分布和界面條件，從而提高整體的熱傳導(dǎo)性能。