适用于多孔体-固壁-流体间耦合换热的数值求解方法技术

本发明专利技术公开一种适用于多孔体

【技术实现步骤摘要】
适用于多孔体
‑
固壁
‑
流体间耦合换热的数值求解方法


[0001]本专利技术涉及换热器
，具体是一种适用于多孔体
‑
固壁
‑
流体间耦合换热的数值求解方法。

技术介绍

[0002]多孔介质具有重量轻、结构紧凑等优点，广泛应用于紧凑型换热器和散热器的设计。针对多孔介质的数值模拟是十分困难的，对于填充多孔介质的换热器，其内部结构的复杂性远远高于传统换热器。为了使流动和传热的计算更加精确，多孔介质中的间隙要求壁面附近的网格具有非常小的尺度，导致网格量十分巨大。现有的多孔介质数值模拟广泛采用简化方法，即将多孔介质区域处理为一空白区域，在区域内存在多孔体相与流体相：在动量方程内添加源项，引入提前定义好的阻力特性来考虑流动损失；换热的处理则相对复杂，一般采用非平衡换热模型，即在多孔介质区域存在两个温度，这就使得在边界位置上，存在多孔体
‑
固体
‑
流体三组温度的耦合。现有的边界处理主要是针对恒热流及恒壁温边界条件的，而换热器内存在两股流体换热，交界位置为耦合换热面，采用现有方法无法处理。
[0003]为了满足填充多孔介质的换热器数值计算的需求，需要提出一种适用于多孔体
‑
固壁
‑
流体间耦合换热的数值求解方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种适用于多孔体
‑
固壁
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，在固壁内将多孔体处理为插入固壁区域的圆锥形，使得在边界位置三组温度的关系简化为两
‑
两耦合的温度关系，简化了求解难度，同时锥形的处理消除了多孔体在壁面内温度与固壁温度不一致，导致对另一侧壁面换热计算的影响，使得该方法不仅适用于恒热流边界条件，同样适用于诸如换热器的两端壁面均为耦合换热的场景。本专利技术能有效简化多孔体
‑
固壁
‑
流体边界位置的换热关系，且具有明确的物理意义，适用于多孔介质填充的换热器换热特性数值模拟等场合。
[0005]技术方案：为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]步骤1，将多孔体视为插入固壁的锥体，即多孔体在固壁区域内仍有分布，其占比则随着接近另一侧壁面逐渐减少，直至在另一侧的交界面处，多孔体占比为0；
[0007]步骤2，根据计算对象，将流体流过多孔体的区域、壁面区域均处理为多孔介质区域，建立计算模型；
[0008]步骤3，给出描述流体流过多孔体区域流动的控制方程；给出描述流体区域流动的控制方程；
[0009]步骤4，根据计算对象的工况，给出描述流体流过多孔体区域多孔体与流体之间传热过程的控制方程；
[0010]步骤5，给出描述固壁区域多孔体锥体与固体之间传热过程的控制方程；
[0011]步骤6，对上述方程进行离散；
[0012]步骤7，将流体流过多孔体的区域与固壁间设置为耦合边界；
[0013]步骤8，将流体区域与固壁间设置为耦合边界；
[0014]步骤9，根据计算模型设置其他边界条件；
[0015]步骤10，对离散方程组进行求解。
[0016]进一步的，步骤3中，描述流体流过多孔体区域流动的控制方程选用Darcy
–
Brinkman
–
Forchheimer方程：
[0017][0018]描述流体区域流动的控制方程，用稳态不可压缩流动方程表示为：
[0019]ρ
f
(u
▽
)u＝
‑▽
p+μ
f
▽2(u)
ꢀꢀꢀ
公式(2)
[0020]其中ρ
f
为流体的密度，u为速度矢量，μ
f
为流体粘度，渗透率K及惯性系数F可由下式表示：
[0021][0022][0023]进一步的，根据权利要求1所述的多孔体
‑
壁面
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，其特征在于：步骤4中，多孔体与流体之间传热过程可由如下方程描述：
[0024]▽
(λ
p
▽
T
p
)+h
p
α(T
p
‑
T
f
)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(5)
[0025](ρ
f
C
f
u)
▽
T
f
＝
▽
(λ
f
▽
T
f
)
‑
h
p
α(T
p
‑
T
f
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(6)
[0026]其中λ
f
为流体的热导率，λ
p
为多孔体的折合热导率，λ
s
为固体的热导率，h
p
为多孔体域流体间的对流换热系数，α为单位体积内的换热面积。T
p
代表了多孔体温度，T
f
代表多孔体内流过的流体温度。
[0027]进一步的，根据权利要求1所述的多孔体
‑
壁面
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，其特征在于：步骤5中，固壁区域多孔体锥体与固体之间传热过程可由如下方程描述：
[0028][0029][0030]其中
[0031][0032]其中D为壁面的厚度，T
sp
代表了多孔体锥体温度，T
s
代表固壁内固体的温度，d为多孔体与壁面交界圆柱的水力直径。
[0033]进一步的，根据权利要求1所述的多孔体
‑
壁面
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，其特征在于：步骤7中，耦合边界可表示为：
[0034][0035][0036]进一步的，根据权利要求1所述的多孔体
‑
壁面
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，其特征在于：步骤7中，耦合边界可表示为：
[0037][0038]本专利技术有益效果在于：
[0039]1、本专利技术采用多孔介质模型，大大减少了多孔体
‑
固壁
‑
流体换热数值模拟消耗的计算成本；
[0040]2、本专利技术在固壁内将多孔体处理为插入固壁区域的圆锥形，使得在边界位置三组温度的关系简化为两
‑
两耦合的温度关系，简化了求解难度；
[0041]3、本专利技术在固壁内将多孔体处理为插入固壁区域的圆锥形，消除了多孔体在壁面内温度与固壁温度不一致，导致对另一侧壁面换热计算的影响，使得该方法不仅适用于恒热流边界条件，同样适用于诸如换热器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于多孔体
‑
固壁
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，将多孔体视为插入固壁的锥体，使多孔体在固壁区域内仍有分布；步骤2，根据计算对象，将流体流过多孔体的区域、壁面区域均处理为多孔介质区域，建立计算模型；步骤3，给出描述流体流过多孔体区域流动的控制方程，给出描述流体区域流动的控制方程；步骤4，给出描述流体流过多孔体区域多孔体与流体之间传热过程的控制方程；步骤5，给出描述固壁区域多孔体锥体与固体之间传热过程的控制方程；步骤6，对上述方程进行离散；步骤7，将流体流过多孔体的区域与固壁间设置为耦合边界；步骤8，将流体区域与固壁间设置为耦合边界；步骤9，根据计算模型设置其他边界条件；步骤10，对离散方程组进行求解。2.根据权利要求1所述的多孔体
‑
壁面
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，其特征在于：步骤1中，多孔体在固壁区域占比则随着接近另一侧壁面逐渐减少，直至在另一侧的交界面处，多孔体占比为0。3.根据权利要求1所述的多孔体
‑
壁面
‑
流体间耦合换热的数值求解方法，其特征在于：步骤4中，多孔体与流体之间传热过程由如下方程描述：步骤4中，多孔体与流体之间传热过...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵璧，聂俊领，隋宏人，姜楠，张靖周，谭晓茗，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：