一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法与流程

本发明涉及结霜行为预测领域，具体地，涉及一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法。

背景技术：

1、某新型低温换热器可将高速流动的高温气体迅速冷却至深低温。当气体被冷却至零下温度后，空气的饱和湿度将大大降低，由此将导致空气中的水蒸气在换热单元的低温表面凝华为霜。这种在高速气流流过换热单元的低温表面结霜的行为属于强对流条件下的低温表面结霜问题，是水蒸气凝华的气-固相变行为。这种水蒸气直接凝华为霜的气-固相变行为被称作干模态结霜，干模态结霜过程中不会出现液态水。由于这种低温表面的干模态结霜会引起换热器通道的堵塞，掌握不同来流速度、来流温度、低温表面温度和低温元件尺寸等结霜条件下的干模态结霜厚度生长情况对于设计换热器的基本单元尺寸、间距以及确定换热器冷却策略至关重要。圆管作为换热器基本单元的常用形式。为此，需要对不同结霜条件下的低温圆管表面的干模态结霜行为进行预测。

2、对于某个确定的来流温度、来流速度、低温圆管温度和低温圆管直径的干模态结霜条件下，目前已有用于低温圆管上霜层厚度随时间的变化的数值计算预测方法。该方法根据有量纲的来流温度、来流速度、低温圆管温度和低温圆管直径等参数构建能量方程和质量方程，并进行时间的迭代求解。然而，这种数值计算预测方法需要迭代求解，在实际使用中不太方便。此外，需要对每个不同的来流温度、来流速度、低温圆管温度和低温圆管直径等结霜条件组合进行单独计算，导致现有的预测方法计算量大，预测效率低。

技术实现思路

1、本发明目的为减少低温圆管上霜层厚度预测的计算量，提高预测效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，所述方法包括：

3、步骤1：对强对流条件下低温圆管干模态结霜行为进行模拟，获得强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系；

4、步骤2：获得第一结霜状态下第一低温圆管上的第一霜层生长信息；

5、步骤3：基于不同低温圆管干模态结霜相似关系、第一霜层生长信息和第一结霜状态，预测获得第二结霜状态下第二低温圆管上的结霜平均厚度。

6、其中，本发明首先对强对流条件下低温圆管干模态结霜行为进行模拟，获得强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系，然后利用该相似关系和已知的低温圆管结霜信息对未知的低温圆管结霜厚度进行预测，通过已知的某个结霜状态的结霜信息，利用物理量的相似关系，对有相似关系的其他结霜状态的低温圆管结霜厚度进行预测，不需要进行迭代计算，减少了计算量，提高了预测效率。

7、在一些实施例中，强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系采用以下公式表示：

8、

9、

10、其中，xf1为第一低温圆管在第一来流速度u1和第一低温圆管直径r1条件下在第一时刻t1时的第一霜层厚度；xf2为第二低温圆管在第二来流速度u2和第二低温圆管直径r2条件下在第二时刻t2时的第二霜层厚度。

11、在一些实施例中，所述步骤3具体包括：

12、计算在第一来流速度为u1和第一低温圆管直径为r1时，在相同无量纲时间对应的第一时刻t1：

13、

14、利用第一来流速度u1和第一低温圆管的霜层生长情况，确定第一结霜状态条件下t1时刻对应的第一霜层厚度xf1；

15、利用第二来流速度u2和第一霜层厚度xf1计算第二低温圆管在第二结霜状态条件下t2时刻的第二霜层厚度xf2：

16、

17、在一些实施例中，强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系采用以下公式表示：

18、

19、

20、其中，xf1为第一低温圆管在第一来流速度u1和第一低温圆管直径r1条件下在第一时刻t1时的第一霜层厚度；xf2为第二低温圆管在第二来流速度u2和第二低温圆管直径r2条件下在第二时刻t2时的第二霜层厚度，ρf1为第一低温圆管的第一霜层密度，ρf2为第二低温圆管的第二霜层密度，kf1为第一低温圆管的第一霜层热导率，kf2为第二低温圆管的第二霜层热导率。

21、在一些实施例中，所述步骤3具体包括：

22、计算第一结霜状态条件下在相同无量纲时间与第二时刻t2对应的第一时刻t1：

23、

24、利用第一结霜状态条件下的霜层生长情况，确定第一结霜状态条件下t1时刻对应的第一霜层厚度xf1；

25、利用第一霜层厚度xf1计算第二结霜状态条件下t2时刻的第二霜层厚度xf2：

26、

27、在一些实施例中，所述方法还包括对预测获得的霜层厚度进行验证。为了验证预测是否准确，可以利用现有的迭代计算方法计算出厚度进行验证。

28、在一些实施例中，所述步骤1具体包括：

29、对强对流条件下低温圆管干模态结霜行为进行模拟，获得无量纲霜层厚度和无量纲结霜时间的计算公式；

30、对获得的的计算公式进行分析，获得强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系。

31、在一些实施例中，无量纲霜层厚度δ的计算公式为：

32、

33、其中，xf为霜层厚度，δb为霜层平衡厚度；

34、霜层平衡厚度δb的计算公式为：

35、

36、其中，为霜层平衡热导率，td为来流露点温度，ta为来流温度，tw为低温圆管温度，ka为来流空气热导率，ρa为来流空气密度，u为来流空气速度，r为低温圆管直径，pr为普朗特常数；

37、无量纲结霜中，用于对结霜时间t进行无量纲处理的特征时间记为η，无量纲结霜时间的计算公式为：

38、

39、η的计算公式为：

40、

41、其中，ρf0为初始霜层密度，ρv为来流水蒸气密度，ρv为来流湿度，ρsa(tw)为低温圆管温度对应的饱和湿度，cpa为空气比热，μ为空气黏性系数。

42、在一些实施例中，低温圆管为换热器中的换热单元，所述方法还包括：

43、将预测获得的第二低温圆管上的结霜平均厚度与第一阈值进行比较；

44、基于比较结果判断换热器的换热单元是否有堵塞风险。

45、在一些实施例中，若判断换热器的换热单元存在堵塞风险则进行告警。

46、其中，通过上述方式可快速实现换热器中的换热单元的结霜堵塞预测，当预测出存在堵塞风险时则进行告警。

47、本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

48、在存在相似关系的结霜状态间，可根据某一个已知的结霜状态的霜层生长情况，利用结霜参数的相似关系，计算出其他存在相似关系的结霜状态下的低温圆管结霜的霜层平均厚度，而不需要进行迭代计算，大大提高了结霜厚度预测的效率。

技术特征：

1.一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系采用以下公式表示：

3.根据权利要求2所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系采用以下公式表示：

5.根据权利要求4所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

6.根据权利要求1所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，所述方法还包括对预测获得的霜层厚度进行验证。

7.根据权利要求1所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，无量纲霜层厚度δ的计算公式为：

9.根据权利要求1所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，低温圆管为换热器中的换热单元，所述方法还包括：

10.根据权利要求9所述的一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，其特征在于，若判断换热器的换热单元存在堵塞风险则进行告警。

技术总结
本发明公开了一种基于结霜相似律的圆管结霜平均厚度预测方法，涉及结霜行为预测领域，所述方法包括：步骤1：对强对流条件下低温圆管干模态结霜行为进行模拟，获得强对流条件下不同低温圆管干模态结霜相似关系；步骤2：获得第一结霜状态下第一低温圆管上的第一霜层生长信息；步骤3：基于不同低温圆管干模态结霜相似关系、第一霜层生长信息和第一结霜状态，预测获得第二结霜状态下第二低温圆管上的结霜平均厚度。本发明能够减少低温圆管上霜层厚度预测的计算量，提高预测效率。

技术研发人员：夏斌,梁新刚,徐向华,曾磊,张昊元,朱言旦,李睿智,邱波
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22