一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法

本发明涉及热工水力研究，更具体的说是涉及一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法。

背景技术：

1、多孔介质是指空隙弥散分布在固体中且空隙相互连通的物体，大量工业设备或零件都可视为多孔介质。一些多孔介质设备内部的流动和传热状态对其运行性能影响巨大，研究其内部的热工水力特性有助于优化设计、提升设备性能。基于cfd方法的热工水力计算是研究多孔介质传热和流动状态的主流方法之一。但多孔介质结构复杂，cfd计算流程中的几何建模、网格划分、计算求解等方面在实际操作时都存在巨大困难。对此，人们开发了适用于多孔介质物体热工水力计算的多孔介质模型，然而该模型忽略了多孔介质内部的复杂结构和实际流动状态，仅考虑反馈复杂结构对流动中受到的阻力特性的影响和设备内部大空间均匀化的热工水力参数信息，这些信息对一些多孔介质设备的性能优化研究而言是足够的，由于忽略了多孔介质内部的复杂结构，该模型下只需要对研究对象进行整体建模，这大大简化了cfd计算时几何建模与网格划分的复杂度并降低了求解计算的收敛难度。然而对一些多孔介质设备而言，流动和传热状态对其影响极大，局部细微的热工水力状态关乎设备的整体性能与安全。这种情况下，忽略多孔介质设备内部细致流动特性、反馈大空间均匀化热工水力参数信息的传统多孔介质模型不再满足此类设备的需求。传统的多孔介质模型无法反应流固空间各向异性分布的研究对象的流动特性。因此，如何提供一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，通过对研究对象的不同空间位置，设置不同的阻力系数、孔隙率，在保有多孔介质模型优点的基础上提高对各项异性结构流动特性的刻画能力。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，包括以下步骤：

4、s1、确定工业设备在各种工况下的热工水力参数变化范围；

5、s2、计算多孔介质模型黏性阻力系数和惯性阻力系数；

6、s3、对工业设备的流体域和固体域进行空间范围标记；

7、s4、进行多孔介质模型下的设备几何建模和网格划分；

8、s5、基于空间范围标记判断多孔介质网格节点是否属于固体域；

9、s6、如果属于固体域，则将网格节点所组成的区域设置成拟固体域；

10、s7、如果属于流体域，则将网格节点所组成的区域设置成拟流体域；

11、s8、以实际材料的物性为基础对拟域进行物性设置；

12、s9、考虑到流固交界壁面的边界层效应，计算等效导热系数，将热边界层对传热的影响附加在拟固体域上；

13、s10、采用多孔介质模型进行cfd计算。

14、可选的，工业设备的热工水力参数包括运行压力、热源分布、流量分配和流体温度。

15、可选的，黏性阻力系数的计算为：

16、

17、式中，k为多孔介质渗透率，q为流体质量流量，ρ为流体动力粘度，a多孔介质横截面积，为流体压强梯度；

18、惯性阻力系数的计算为：

19、

20、式中，ρ为密度，vj为流体速度。

21、可选的，s3在进行空间范围标记之前，选取坐标原点建立空间三维坐标系，坐标系的建立原则为能够进行多孔介质建模，能够标记设备各部分的空间坐标，建立坐标系后，开始标记设备固体域和流体域的坐标范围并保存。

22、可选的，s6中拟固体域孔隙率设为0，黏性阻力系数和惯性阻力系数设置为1e29；s7中拟流体域孔隙率设为1，黏性阻力系数和惯性阻力系数均为正常计算值。

23、可选的，s8中以单个网格节点为最小单位，设置和实际设备材料相同的物性参数。

24、可选的，s10中将cfd计算的结果与实验或实际运行参数进行对比，判断计算结果的正确性，对比项包括压降、流量分配和温度分布，判断计算的正确性后，开展对设备的流动和传热特性的分析。

25、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，具有以下有益效果：

26、1、提高了多孔介质模型对各项异性结构流动特性的刻画能力

27、本发明通过对研究对象的不同空间位置(以反应堆堆芯流体域和固体域为区分)设置不同的阻力系数、孔隙率，在多孔介质中建立拟流体域和拟固体域模拟真实流体域和固体域，充分刻画设备实际的流动特性，对工业设备几何结构的各向异性的特点进行了充分刻画，使研究对象内部的流动更加贴合实际情况，在保有多孔介质模型优点的基础上提高了对各项异性结构流动特性的刻画能力；

28、2、提高了多孔介质模型对各项异性结构传热特性的刻画能力

29、本发明通过流固域空间范围标记的方法，可直接编写代码以单个网格节点空间坐标为最小单位，支持直接设置两种及以上种类的固体材料的物性，保障反馈真实的传热特性；提出了区域等效传热方法，通过y+和流体的物性以及设备的几何结构合理估算边界层厚度，通过等效热阻的思想将多孔介质模型不解析的流体域热边界层对传热的影响附加在固体上，计算出这种情况下的固体等效导热系数。

技术特征：

1.一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，其特征在于，工业设备的热工水力参数包括运行压力、热源分布、流量分配和流体温度。

3.根据权利要求1所述的一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，其特征在于，黏性阻力系数的计算为：

4.根据权利要求1所述的一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，其特征在于，s3在进行空间范围标记之前，选取坐标原点建立空间三维坐标系，坐标系的建立原则为能够进行多孔介质建模，能够标记设备各部分的空间坐标，建立坐标系后，开始标记设备固体域和流体域的坐标范围并保存。

5.根据权利要求1所述的一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，其特征在于，s6中拟固体域孔隙率设为0，黏性阻力系数和惯性阻力系数设置为1e29；s7中拟流体域孔隙率设为1，黏性阻力系数和惯性阻力系数均为正常计算值。

6.根据权利要求1所述的一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，其特征在于，s8中以单个网格节点为最小单位，设置和实际设备材料相同的物性参数。

7.根据权利要求1所述的一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，其特征在于，s10中将cfd计算的结果与实验或实际运行参数进行对比，判断计算结果的正确性，对比项包括压降、流量分配和温度分布，判断计算的正确性后，开展对设备的流动和传热特性的分析。

技术总结
本发明公开了一种提高多孔介质模型对热工水力特性刻画能力的方法，应用于热工水力状态研究技术领域。包括以下步骤：确定工业设备在各种工况下的热工水力参数变化范围；计算多孔介质模型黏性阻力系数和惯性阻力系数；进行空间范围标记、设备几何建模和网格划分；基于空间范围标记判断网格节点是否属于固体域并将网格节点所组成的区域设置成拟固体域或者拟流体域，以实际材料的物性为基础对拟域进行物性设置；计算等效导热系数，将热边界层对传热的影响附加在固体上；进行CFD计算。本发明通过对研究对象的不同空间位置，设置不同的阻力系数、孔隙率，在保有多孔介质模型优点的基础上提高对各项异性结构流动特性的刻画能力。

技术研发人员：陈广亮,殷新立,马倩倩,孙雨琛,张历轩,钱浩,章汉琦
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1