一种微细通道换热器两相数值模拟方法

本发明涉及换热器流动传热数值模拟，特别是指一种微细通道换热器两相数值模拟方法。

背景技术：

1、微细通道换热器具有紧凑度高、换热效率高、传热温差小等优点，在能源化工、航空航天、电子机械等众多领域有非常广泛的应用。微细通道换热器的两相换热是解决高热流密度设备散热问题的有效方案之一。由于其通道的特征尺寸一般小于1mm，两相流动还涉及到两相不稳定性、相分布不均等复杂问题，因此开展数值模拟研究难度大。

2、常规的两相模拟基于真实结构建模与划分网格，通过计算机离散求解两相流的控制方程得到流场和温度场，存在计算量大、结果难以收敛等问题。为减少计算量，对于通道数量众多的微细通道换热器，常规两相数值模拟方法通常只选取芯体的很少一部分通道进行局部数值模拟，该方法无法体现换热器的整体流动传热特性，也难以研究换热器封头分流特性对通道内部两相流动传热的影响。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种微细通道换热器两相数值模拟方法，提高了换热器的换热效率。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，一种微细通道换热器两相数值模拟方法，所述方法包括：

4、获取换热通道内的粘性阻力系数、惯性阻力系数、对流换热系数以及换热面积密度；

5、对微细通道换热器内的两相流动层进行三维建模，以得到数值模拟计算模型；

6、根据换热通道内的粘性阻力系数、惯性阻力系数、对流换热系数以及换热面积密度，并基于多孔介质的局部非热平衡传热模型，确定两相流区域和固体区域的控制方程；

7、对所述控制方程进行迭代求解，以得到两相流的速度分布和温度分布以及固体区域的温度分布；

8、重复对所述控制方程进行迭代求解，直至结果收敛，最终得到两相流区域的流场和温度场以及固体区域的温度场，并进行分析与后处理，得到两相流动区域的流动传热特性。

9、进一步的，对微细通道换热器内的两相流动层进行三维建模，以得到数值模拟计算模型，包括：

10、将多个微细通道转为一个整体形成两相流流体模型；

11、按照两相流流体模型的尺寸建立同尺寸的固体模型；

12、分别对两相流流体模型和固体模型进行结构化网格划分，最终形成的网格模型为一层两相流网格，及一层网格数量和尺寸与两相流网格完全相同的固体网格。

13、进一步的，对所述控制方程进行迭代求解，以得到两相流的速度分布和温度分布以及固体区域的温度分布，包括：

14、基于有限容积法，分别对两相流区域和固体区域的控制方程进行离散求解，完成一次计算迭代，得到两相流的速度分布和温度分布以及固体区域的温度分布。

15、进一步的，重复对所述控制方程进行迭代求解，直至结果收敛，最终得到两相流区域的流场和温度场以及固体区域的温度场，并进行分析与后处理，得到两相流动区域的流动传热特性，包括：

16、每完成一次对所述控制方程进行迭代求解，两相流区域的网格均读取与两相流区域位置一一对应的固体网格的温度数据，固体网格同时读取位置一一对应的两相流温度数据；

17、将固体温度数据以及两相流温度数据代入各自能量方程中的源项继续计算，完成下一次迭代过程；

18、重复进行迭代计算过程，直至结果收敛，最终得到两相流区域的流场和温度场以及固体区域的温度场，并进行分析与后处理，得到两相流动区域的流动传热特性。

19、进一步的，所述两相流区域与固体区域的整体位置关系可为重叠、平行、垂直或其他能用函数表示的位置关系。

20、进一步的，所述两相流区域与固体区域内每个网格与区域边界的相对位置一一对应。

21、进一步的，所述两相流区域与固体区域之间设置有按照位置关系设计的数据传输，每完成一次计算迭代，两相流区域的每一个网格就会与位置一一对应的固体网格进行温度数据传输，温度数据会代入各自能量方程中的源项进行下一次迭代计算，实现两相流区域和固体区域的耦合传热。

22、第二方面，一种微细通道换热器两相数值模拟装置，包括：

23、获取模块，用于获取换热通道内的粘性阻力系数、惯性阻力系数、对流换热系数以及换热面积密度；对微细通道换热器内的两相流动层进行三维建模，以得到数值模拟计算模型；

24、处理模块，用于根据换热通道内的粘性阻力系数、惯性阻力系数、对流换热系数以及换热面积密度，并基于多孔介质的局部非热平衡传热模型，确定两相流区域和固体区域的控制方程；对所述控制方程进行迭代求解，以得到两相流的速度分布和温度分布以及固体区域的温度分布；重复对所述控制方程进行迭代求解，直至结果收敛，最终得到两相流区域的流场和温度场以及固体区域的温度场，并进行分析与后处理，得到两相流动区域的流动传热特性。

25、第三方面，一种微细通道换热器两相数值模拟设备，包括：

26、一个或多个处理器；

27、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述的方法。

28、第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述的方法。

29、本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

30、本发明的上述方案，基于多孔介质的局部非热平衡传热模型，将微细通道换热器的两相流层简化为多孔介质模型，把原本的真实结构通道简化成了一层多孔介质流体区和一层多孔介质固体区，该方法能够减少大量计算网格，且显著降低网格划分工作量与迭代求解的计算量，有效避免了两相流模拟问题中计算结果难以收敛的问题。基于较少的网格数量和计算量，本发明提供的方法可用于解决常规两相流模拟难题，有利于推进两相流微细通道换热器的优化设计，进一步提高换热器的换热效率。

技术特征：

1.一种微细通道换热器两相数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的微细通道换热器两相数值模拟方法，其特征在于，对微细通道换热器内的两相流动层进行三维建模，以得到数值模拟计算模型，包括：

3.根据权利要求1所述的微细通道换热器两相数值模拟方法，其特征在于，对所述控制方程进行迭代求解，以得到两相流的速度分布和温度分布以及固体区域的温度分布，包括：

4.根据权利要求1所述的微细通道换热器两相数值模拟方法，其特征在于，重复对所述控制方程进行迭代求解，直至结果收敛，最终得到两相流区域的流场和温度场以及固体区域的温度场，并进行分析与后处理，得到两相流动区域的流动传热特性，包括：

5.根据权利要求1所述的微细通道换热器两相数值模拟方法，其特征在于，所述两相流区域与固体区域的整体位置关系至少为重叠、平行或垂直中的一种。

6.根据权利要求1所述的微细通道换热器两相数值模拟方法，其特征在于，所述两相流区域与固体区域内每个网格与区域边界的相对位置一一对应。

7.根据权利要求1所述的微细通道换热器两相数值模拟方法，其特征在于，所述两相流区域与固体区域之间设置有按照位置关系设计的数据传输，每完成一次计算迭代，两相流区域的每一个网格就会与位置一一对应的固体网格进行温度数据传输，温度数据会代入各自能量方程中的源项进行下一次迭代计算，实现两相流区域和固体区域的耦合传热。

8.一种微细通道换热器两相数值模拟装置，其特征在于，包括：

9.一种计算设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明提供一种微细通道换热器两相数值模拟方法，涉及换热器流动传热数值模拟技术领域，所述方法包括：根据换热通道内的粘性阻力系数、惯性阻力系数、对流换热系数以及换热面积密度，并基于多孔介质的局部非热平衡传热模型，确定两相流区域和固体区域的控制方程；对所述控制方程进行迭代求解，以得到两相流的速度分布和温度分布以及固体区域的温度分布；重复对所述控制方程进行迭代求解，直至结果收敛，最终得到两相流区域的流场和温度场以及固体区域的温度场，并进行分析与后处理，得到两相流动区域的流动传热特性。本发明可用于解决常规两相流模拟难题，有利于推进两相流微细通道换热器的优化设计，进一步提高换热器的换热效率。

技术研发人员：马挺,何松,唐子诚,顾蕤,吴一宁,曾敏,王秋旺
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1