换热器热力耦合性能多尺度分析方法、系统、介质及设备

本发明属于换热器设计和分析领域，尤其涉及一种板式和板翅式换热器热力耦合性能多尺度分析方法及系统。

背景技术：

1、目前，换热器作为提高能源利用率的主要设备，越来越受到广泛关注。换热器是工业热管理系统的核心装备，被广泛用于航空航天、船舶、核能、化工等工业部门中。换热器通过将高温侧流体的热量传递给低温侧流体，使流体温度达到流程所规定指标，并提高能源利用率。然而，为进一步提高热效率，换热器通常需要处于高温和高压环境，这对其结构可靠性提出挑战。

2、目前，对于换热器的强度设计一般遵守换热器行业规范标准，然而，当涉及较为复杂的换热流道或高温、高压的工作条件时，其规范标准设计方法将不再适应，并且基于规范标准的设计方法无法准确描述同一换热器内不同流道类型改变的交汇处(如进出口结构与主换热区域芯体结构交汇处)应力状况。而此处由于流道类型的改变，应力场分布发生剧烈变化，容易发生材料的塑性变形及疲劳破坏等问题。同时，对于整个换热器来说，其盖板与侧板的形状与厚度等条件对换热器内部芯体结构的应力变形行为具有很大影响。因此，需要使用数值分析方法对整个换热器的应力变形行为进行准确描述。然而，考虑到换热器通常是由数万乃至数十万微细通道组成，使用常规数值分析方法无法对如此复杂的模型完成建模和计算工作。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术无法对温度和压力载荷作用下实际尺寸的换热器模型进行建模和计算，且对换热器的应力变形行为的描述不准确。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种换热器热力耦合性能多尺度分析方法及系统。

2、本发明是这样实现的，一种换热器热力耦合性能多尺度分析方法，所述换热器热力耦合性能多尺度分析方法包括：

3、进行换热器区域划分，并针对各个区域分别构建通道单胞模型；通过构建换热器通道等效刚度系数及柔度系数关于变形能的形式方程、设置节点位移约束和单位应变、应力加载，计算换热器不同区域通道等效力学参数；构建宏观尺度的换热器等效固体模型，基于所述宏观尺度的换热器等效固体模型进行运行工况下整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场和位移场的计算，得到所述换热器强度薄弱区域位置细观通道的微观应力场。

4、进一步，所述换热器热力耦合性能多尺度分析方法包括以下步骤：

5、步骤一，根据实际换热器的通道结构特征，将换热器划分为进口区域、出口区域、芯体区域和盖板区域；对每个区域提取一个代表通道单胞，构建换热器相应区域的通道单胞有限元模型；

6、步骤二，将换热器通道分为周期性分布换热器通道和部分周期性分布换热器通道，分别建立对应的等效刚度系数矩阵或柔度系数矩阵关于变形能的形式方程，通过设置对应的节点位移约束方程以及特征单位应变或应力加载，进行换热器不同区域通道等效力学参数的计算；

7、步骤三，建立宏观尺度的换热器等效固体模型，并将计算的换热器不同区域通道等效力学参数作为所述换热器等效固体模型的材料属性；

8、步骤四，将换热器温度场数据导入所述换热器等效固体模型中，进行换热器温度载荷加载；再分别对换热器冷热通道的等效固体模型设置新的等效热膨胀系数、施加固定温差以及均布压力进行换热器压力载荷的加载，计算运行工况下整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场和位移场；

9、步骤五，根据换热器等效固体模型的宏观应力场、应变场和位移场的计算结果，确定换热器强度薄弱区域位置；再结合所述换热器各区域通道单胞设置单位特征应力、应变和温度场加载的计算结果，通过计算应力放大系数矩阵得到所述换热器强度薄弱区域位置细观通道的微观应力场。

10、进一步，所述步骤二包括：

11、(1)对换热器中冷热通道结构相同的芯体区域通道为具有周期性分布特征的周期性分布换热器通道，通过设置周期性特征应变场x*(ij)，将单位特征应变场和由单胞非均质性引起的应变场视为直接施加在边界上的特征应变场，得到周期性分布换热器通道的等效刚度系数基于变形能п形式的简化数学方程；

12、(2)对换热器中冷热通道结构不同的进出口区域通道视为具有部分周期性分布特征的部分周期性分布换热器通道，分别通过设置部分周期性特征应变场和将单位特征应变场和单位特征应力场与由单胞非均质性引起的应变场视为直接施加在通道单胞边界上的特征应变场，得到部分周期性分布换热器通道的等效刚度系数上下限基于变形能п形式的简化数学方程；

13、(3)对换热器盖板区域：进行基材的选取并记录基材在不同温度下的材料属性；

14、(4)通过有限元计算所述周期性分布换热器通道的等效刚度系数基于变形能п形式的简化数学方程与所述部分周期性分布换热器通道的等效刚度系数上下限基于变形能п形式的简化数学方程，计算换热器不同区域通道在不同温度下的等效力学参数。

15、进一步，所述周期性分布换热器通道的等效刚度系数基于变形能п形式的简化数学方程如下：

16、对角线刚度系数

17、非对角线刚度系数：

18、其中，χ*(ij)为周期性单位特征应变场。i,j,k,l＝1,2,3均为方向矢量；|y|为单胞体积；п为变形能。

19、所述部分周期性分布换热器通道的等效刚度系数上下限基于变形能п形式的简化数学方程如下：

20、(2.1)对于等效刚度系数上限的能量形式方程：

21、对角线刚度系数

22、非对角线刚度系数

23、其中，表示部分周期性单位特征应变场。i,j,k,l均为方向矢量，其值为1,2,3；|y|为单胞体积；п为变形能。

24、(2.2)对于等效刚度系数下限的能量形式方程：

25、对角线柔度系数：

26、非对角线柔度系数：

27、等效刚度系数下限：

28、其中，表示部分周期性单位特征应力场所对应的特征应变场。i,j,k,l均为方向矢量，其值为1,2,3；|y|为单胞体积；п为变形能。

29、所述换热器通道等效力学性能参数如下：

30、

31、进一步，所述将计算的换热器不同区域通道等效力学参数作为所述换热器等效固体模型的材料属性包括：

32、将计算的换热器各个区域通道等效力学参数作为换热器等效固体模型中对应区域的等效材料属性，并将不同区域的材料属性导入宏观尺度上的换热器等效固体模型时进行矩阵方向的转换；

33、所述材料属性包括三个等效弹性模量与温度的函数、三个等效剪切模量与温度的函数和三个等效泊松比与温度的函数。

34、进一步，所述步骤四包括：

35、(1)将换热器温度场数据导入换热器等效固体模型中，进行换热器温度载荷加载；

36、(2)分别对冷热通道等效固体模型的x方向和y方向冷热通道设置新的等效热膨胀系数和对换热器整体温度场施加固定温差δt；所述等效热膨胀系数与换热器通道等效柔度系数原材料柔度系数sijkl、温度t和换热器通道压力p有关；

37、(3)对z方向进出口截面处施加数值为的均布压力，进行换热器等效压力载荷的加载；其中，表示孔隙率；

38、(4)利用下式计算运行工况下整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场及位移场等：

39、

40、其中，上标h代表等效；和分别代表x和y方向上的等效热膨胀系数；pc和ph分别代表冷、热侧压力，下标c和h分别代表冷、热侧；代表等效柔度系数，i,j,k,l代表方向矢量，其值为1,2,3；sijkl代表原材料等效柔度系数；t代表温度；δt代表温差。

41、本发明的另一目的在于提供一种实施所述换热器热力耦合性能多尺度分析方法的换热器热力耦合性能多尺度分析系统，所述换热器热力耦合性能多尺度分析系统包括：

42、换热器通道单胞有限元模型构建模块，用于根据实际换热器的通道结构特征，将换热器划分为进口区域、出口区域、芯体区域和盖板区域；对每个区域提取一个代表通道单胞，构建换热器相应区域的通道单胞有限元模型；

43、换热器通道等效力学参数计算模块，用于将换热器通道分为周期性分布换热器通道和部分周期性分布换热器通道，分别建立对应的等效刚度系数矩阵或柔度系数矩阵关于变形能的形式方程，通过设置对应的节点位移约束方程以及特征单位应变或应力加载，进行换热器不同区域通道等效力学参数的计算；

44、换热器等效固体模型构建模块，用于建立宏观尺度的换热器等效固体模型，并将计算的换热器不同区域通道等效力学参数作为所述换热器等效固体模型的材料属性；

45、换热器宏观应力应变计算模块，用于将换热器温度场数据导入所述换热器等效固体模型中，进行换热器温度载荷加载；再分别对换热器冷热通道的等效固体模型设置新的等效热膨胀系数、施加固定温差以及均布压力进行换热器压力载荷的加载，计算运行工况下整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场和位移场；

46、换热器微观应力场计算模块，用于根据换热器等效固体模型的宏观应力场、应变场和位移场的计算结果，确定换热器强度薄弱区域位置；再结合所述换热器各区域通道单胞设置单位特征应力、应变和温度场加载的计算结果，通过计算应力放大系数矩阵得到所述换热器强度薄弱区域位置细观通道的微观应力场。

47、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述换热器热力耦合性能多尺度分析方法的步骤。

48、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述换热器热力耦合性能多尺度分析方法的步骤。

49、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述换热器热力耦合性能多尺度分析系统。

50、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

51、第一、本发明通过将实际换热器模型复杂热力耦合问题转化为对换热器等效固体模型的简单热力耦合问题，避免了对由数十万微细通道所组成换热器进行直接的建模和网格划分，可极大减小换热器热力耦合计算几何建模的难度和网格数量，并大大减小计算时间。

52、本发明建立了“单元-芯体-换热器”热力耦合多尺度数值分析模型，并提出分别对换热器冷热通道等效固体模型设置一种新的等效热膨胀系数，可完成实际尺寸换热器在温度-压力共同作用下的宏观应力场、应变场和位移场的变物性求解，并有效减小换热器建模阶段对压力载荷施加的难度。

53、本发明通过提出应力放大系数矩阵概念，根据宏观尺度整个换热器的宏观应力场结果计算出细观尺度换热器通道的微观应力场，可完成换热器在温度和压力同时作用下的强度校核。

54、第二，本发明将换热器芯体和进出口等区域等效为均质化固体材料，通过对该换热器等效固体模型施加实际温度及压力载荷，从而计算出运行工况下整个换热器的应力场、应变场及位移场分布，本发明可以实现对实际尺寸换热器的应力场、应变场和位移场的计算和分析，可以揭示高温和高压等外界因素对典型换热器通道的应力和变形特性的影响机制，为高温高压换热器的设计和应用提供理论和方法指导。

55、第三，本发明建立了“单元-芯体-换热器”热力耦合多尺度数值分析模型，并提出分别对换热器冷热通道等效固体模型设置一种新的等效热膨胀系数，可完成实际尺寸换热器在温度-压力共同作用下的宏观应力场、应变场和位移场的变物性求解，并有效减小换热器建模阶段对压力和温度载荷施加难度，从而计算出运行工况下整个换热器的应力场、应变场及位移场分布。