شماره مدرك
21152
شماره راهنما
18131
پديد آورنده
غفارنژاد، سمانه
عنوان
توسعه هسته پايش و پيشبيني عملكرد يك دوقلوي ديجيتال براي يك مبدل پوسته و لوله
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
97ص.
توصيفگر ها
مبدل حرارتي پوسته و لوله , افت فشار , شبكه عصبي مصنوعي چندلايه , ماشين بردار پشتيبان رگرسيوني , گراديان بوستينگ رگرسور , دوقلوي ديجيتال
تاريخ ورود اطلاعات
1405/04/12
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/04/13
كد ايرانداك
23234590
چكيده فارسي
در پژوهش حاضر، يك چارچوب دادهمحور براي توسعه هسته اوليه دوقلوي ديجيتال مبدل حرارتي پوسته و لوله ارائه شده است. هدف اصلي، پيشبيني همزمان شاخصهاي كليدي عملكرد شامل ضريب كارايي، نرخ انتقال حرارت، افت فشار سمت لوله و پوسته و ضرايب رسوبگيري با استفاده از الگوريتمهاي پيشرفته يادگيري ماشين بود. يك مبدل حرارتي با آرايش استاندارد صنعتي در نرمافزار اسپن اي.دي.آر مدلسازي و اعتبارسنجي شد. با تغيير سيستماتيك پارامترهاي ورودي، پايگاه داده جامع شامل 1000 نمونه توليد گرديد. دادهها به نسبت 80 درصد براي آموزش و 20 درصد براي آزمون تقسيم شدند. سه الگوريتم شامل شبكه عصبي مصنوعي چندلايه، ماشين بردار پشتيبان رگرسيوني و گراديان بوستينگ رگرسور پيادهسازي شدند. شبكه عصبي با دو لايه پنهان (64 و 32 نورون) و تابع فعالسازي رلو، ماشين بردار پشتيبان با كرنل پايه شعاعي و گراديان بوستينگ با 600 درخت و نرخ يادگيري 03/0 انتخاب شدند. نتايج نشان داد براي افت فشار سمت لوله، گراديان بوستينگ با ضريب تعيين 995/0 بهترين عملكرد را داشت. براي افت فشار سمت پوسته، ماشين بردار پشتيبان با ضريب تعيين 965/0 و گراديان بوستينگ با 964/0 عملكرد عالي نشان دادند. در پيشبيني ضريب كارايي و نرخ انتقال حرارت، ماشين بردار پشتيبان به ترتيب با ضرايب تعيين 989/0 و 999/0 برترين بود. در پيشبيني ضريب رسوب سمت پوسته، گراديان بوستينگ با ضريب تعيين 930/0 عملكرد بهتري داشت. تحليل فيزيكي نشان داد عملكرد عالي الگوريتمها در پيشبيني افت فشار، ناشي از توانايي آنها در مدلسازي روابط غيرخطي شديد بدون تحميل شكل تابعي از پيش تعيين شده است. با توجه به عملكرد همهجانبه به ويژه در پيشبيني ضريب رسوب كه رفتار پيچيدهتري دارد، الگوريتم گراديان بوستينگ به عنوان مناسبترين گزينه براي توسعه هسته اوليه دوقلوي ديجيتال معرفي ميگردد
چكيده انگليسي
In the present study, a data-driven framework is developed for the initial core of a digital twin of a shell and tube heat exchanger. The main objective is the simultaneous prediction of key performance indicators including thermal efficiency, heat transfer rate, tube-side pressure drop, shell-side pressure drop, and fouling resistances on both sides, using advanced machine learning algorithms. A shell and tube heat exchanger with standard industrial configuration was modeled and validated using specialized software Aspen EDR. By systematically varying input parameters, a comprehensive database of 1000 samples was generated. The data were split into 80% for training and 20% for testing. Three algorithms including Multilayer Perceptron Artificial Neural Network (MLP), Support Vector Regression (SVR), and Gradient Boosting Regressor (GBR) were implemented. MLP with two hidden layers (64 and 32 neurons) and ReLU activation function, SVR with RBF kernel, and GBR with 600 trees and learning rate of 0.03 were selected. The results showed that for tube-side pressure drop, GBR achieved the best performance with an R² of 0.9950. For shell-side pressure drop, SVR with R² = 0.965 and GBR with R² = 0.963 showed excellent performance. For predicting thermal efficiency and heat transfer rate, SVR was the best with R² values of 0.989 and 0.999, respectively. For predicting shell-side fouling resistance, GBR outperformed the other two algorithms with an R² of 0.930. Physical analysis indicated that the excellent performance of the algorithms in pressure drop prediction stems from their ability to model highly nonlinear relationships and interactions without imposing a pre-defined functional form. Considering the comprehensive performance, especially in predicting fouling resistance which exhibits high dispersion and complex behavior, the Gradient Boosting Regressor is introduced as the most suitable algorithm for developing the initial core of the digital twin of the shell and tube heat exchanger.
استاد راهنما
محمدرضا توكلي نژاد , محمدرضا سليم پور
استاد داور
احمد سوهان كار اصفهاني , رامين كوهي كمالي