本發(fā)明涉及換熱器，具體涉及一種局部非熱平衡狀態(tài)下中冷器整體三維數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計方法設(shè)計周期長、成本高。近年來，隨著計算流體動力學(xué)(cfd)的快速發(fā)展和計算機(jī)性能的飛速提升，利用cfd軟件對換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬的研究也越來越多。目前在車輛領(lǐng)域較為發(fā)達(dá)的國家，使用的中冷器大多為緊湊、高效的管帶式中冷器。為了增大中冷器的散熱面積并增強(qiáng)管內(nèi)流體的擾動，常在中冷器的翅片上增加百葉窗等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這也使得預(yù)測此種中冷器的傳熱和阻力性能難度大大提高。中冷器的翅片分布緊密，且厚度一般不超過0.1mm，直接對整個中冷器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)量一般達(dá)到數(shù)十億，其計算量對于一般的計算機(jī)而言仍難以在有限時間內(nèi)完成。因此，在現(xiàn)有計算機(jī)能力基礎(chǔ)上，對中冷器模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，獲得準(zhǔn)確的中冷器整體仿真方法至關(guān)重要。

2、目前，對中冷器等熱交換器進(jìn)行整體仿真的方法主要有分布式法和多孔介質(zhì)法。其中，分布式法包括基于離散控制體和基于熱阻概念的有限差分法兩種，雖然分布式法被證明能夠有效預(yù)測中冷器的換熱性能，但求解過程需要借助實驗關(guān)聯(lián)式來估算，不僅需要大量的前期工作并且使用范圍較窄。而多孔介質(zhì)法，可以利用多孔介質(zhì)等效翅片對流體流動換熱的作用，大大降低所需網(wǎng)格的數(shù)量，因此成為了目前中冷器等熱交換器研究最為常見的一種方法。并且研究表明，在單純的多孔介質(zhì)方法基礎(chǔ)上，利用多尺度耦合的方法，即先使用精細(xì)網(wǎng)格研究熱交換器中周期重復(fù)性局部單元的模擬數(shù)據(jù)，再將其運(yùn)用到整個模型的計算中，可以獲得更高的求解精度。

3、多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱過程，根據(jù)流固交界面流體溫度與固體溫度是否相等，可分為局部熱平衡(local?thermal?equilibrium，lte)模型或局部非熱平衡(local?thermalnon-equilibrium，ltne)模型。對于處于熱平衡的模型，多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱被當(dāng)作純導(dǎo)熱處理，因此只需指定孔隙率就可以準(zhǔn)確計算傳熱量。對于處于非熱平衡的模型，還需計算流固交界面由于溫差產(chǎn)生的對流換熱，因此要額外設(shè)定流固交界面的對流換熱系數(shù)。中冷器等熱交換器大部分情況下要使用非熱平衡模型才能夠準(zhǔn)確模擬其換熱過程，這也導(dǎo)致研究者們在處理該類問題時，要付出大量的時間和精力去提取模型流固交界面的對流換熱系數(shù)或熱流密度，且計算準(zhǔn)確度受到影響。為此，基于多孔介質(zhì)熱平衡狀態(tài)方程，提出一種高效處理方法，極大簡化了中冷器換熱過程計算，并利用試驗報告數(shù)據(jù)驗證該方法的有效性。

4、現(xiàn)有中國專利文件cn202210609536.8，公開了一種用于翅片管鈉-空氣熱交換器的換熱過程分析方法，該方法包括：對翅片管鈉-空氣熱交換器進(jìn)行建模，以獲得熱交換器模型；對熱交換器模型進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，以生成網(wǎng)格化模型；選擇計算模型以及與計算模型相適應(yīng)的算法；以及利用該算法對網(wǎng)格化模型進(jìn)行計算，以獲得熱交換器的溫度場狀態(tài)和/或流場狀態(tài)；其中，對翅片管鈉-空氣熱交換器進(jìn)行建模包括：對翅片管鈉-空氣熱交換器的翅片換熱管束進(jìn)行建模，將翅片換熱管束的每一根換熱管的翅片建模為等效的多孔介質(zhì)模型。但上述發(fā)明只提到使用多孔介質(zhì)模型代替翅片進(jìn)行仿真，并未表明對現(xiàn)有多孔介質(zhì)模擬方法進(jìn)行了改進(jìn)，無法解決模型是否處于熱平衡狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真的問題。

5、多孔介質(zhì)模型分為熱平衡和非熱平衡模型兩種，因此使用前需要先判斷模型流固交界面處的熱平衡狀態(tài)?，F(xiàn)有的研究，在沒有特殊說明的情況下，一般都是采用熱平衡模型計算，盡管模型處于非熱平衡狀態(tài)，這將給計算帶來較大誤差。對比文件沒有表明采用何種多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計算，大概也是采用了熱平衡的多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計算，盡管不確定該模型是否處于熱平衡狀態(tài)。

6、當(dāng)模型處于熱平衡狀態(tài)，選擇熱平衡的多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計算，此時，只需輸入多孔介質(zhì)區(qū)域的孔隙率即可，孔隙率等于固體體積/通道總體積，求解過程簡單。

7、當(dāng)模型處于非熱平衡狀態(tài)，選擇非熱平衡的多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計算，此時，需要輸入多孔介質(zhì)區(qū)域的孔隙率以及流固交界面的對流換熱系數(shù)。其中，對流換熱系數(shù)常用的方法是通過經(jīng)驗公式求解，因此適用范圍窄且誤差大。為了避免使用經(jīng)驗公式帶來的誤差，目前研究人員公開了一種計算熱流密度的方法，以熱流密度代替對流換熱系數(shù)，旨在提高非熱平衡多孔介質(zhì)模型的計算精度。但計算過程較復(fù)雜，計算量較大。

8、對于換熱器而言，一般很難完全處于熱平衡狀態(tài)，因此需要采用非熱平衡的多孔介質(zhì)模型。針對非熱平衡模型求解過程復(fù)雜或誤差較大的問題，本發(fā)明基于熱平衡狀態(tài)方程，提出一種適用于任何熱平衡狀態(tài)的換熱器高效便捷仿真方法，并進(jìn)行了誤差分析和有效性驗證。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種局部非熱平衡狀態(tài)下中冷器整體三維數(shù)值模擬方法，在20種計算工況條件下，仿真結(jié)果與測試結(jié)果之間換熱量最大差值為4.33％，壓降最大差值為4.68％，證明了本發(fā)明具備較高的準(zhǔn)確度。

2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種局部非熱平衡狀態(tài)下中冷器整體三維數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

4、s1：提取中冷器的一個周期重復(fù)微元結(jié)構(gòu)作為模擬研究對象。

5、s2：在給定的進(jìn)出口條件下，計算微元結(jié)構(gòu)的換熱量qr、熱側(cè)翅片的黏性阻力系數(shù)dh和慣性阻力系數(shù)ch、冷側(cè)翅片的黏性阻力系數(shù)dc和慣性阻力系數(shù)cc。

6、s3：建立去除熱側(cè)翅片的周期微元模型，并使用多孔介質(zhì)局部熱平衡模型替代。通過調(diào)節(jié)孔隙率，使該模型的換熱量qe,h與實際換熱量qr相等，即：qe,h＝qr，從而確定熱側(cè)通道的等效孔隙率εe,h。

7、s4：建立去除冷側(cè)翅片的周期微元模型，并使用多孔介質(zhì)局部熱平衡模型替代。保持熱側(cè)通道的孔隙率為固定值εe,h，調(diào)節(jié)冷側(cè)通道的孔隙率，使模型的換熱量qe,c與實際換熱量qr相等，即：qe,c＝qr，從而獲得冷側(cè)通道的等效孔隙率εe,c。

8、s5：建立整體三維簡化模型，去除冷熱側(cè)通道的散熱翅片，使用多孔介質(zhì)局部熱平衡模型替代；多孔介質(zhì)區(qū)域參數(shù)設(shè)置應(yīng)用微元結(jié)構(gòu)的黏性阻力系數(shù)dh、慣性阻力系數(shù)ch、冷側(cè)翅片的黏性阻力系數(shù)dc、慣性阻力系數(shù)cc、熱側(cè)通道孔隙率εe,h和冷側(cè)通道孔隙率εe,c；求解在指定進(jìn)出口條件下?lián)Q熱器整體的壓力損失和換熱量。

9、另一方面，本發(fā)明提出上述方法在換熱器設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用。

10、本發(fā)明的有益效果：

11、傳統(tǒng)的全尺度模型數(shù)值模擬在計算高精度網(wǎng)絡(luò)時需要的計算資源極為龐大，這一方面是由于中冷器翅片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和密集分布，導(dǎo)致直接模擬時網(wǎng)格單元數(shù)量巨大。本發(fā)明通過提取一個周期性重復(fù)的微元結(jié)構(gòu)，并使用多孔介質(zhì)模型來逼近實際的翅片結(jié)構(gòu)，極大地減少了所需的網(wǎng)格單元數(shù)量，從而降低了對計算資源的依賴。

12、傳統(tǒng)的數(shù)值模擬需要對整個中冷器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，計算量巨大，耗時長。本發(fā)明采用先進(jìn)的多孔介質(zhì)局部熱平衡模型代替實際的中冷器翅片結(jié)構(gòu)。本發(fā)明便于設(shè)置參數(shù)，比如孔隙率、黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來匹配實際的換熱量和流體阻力，大幅度降低模型的復(fù)雜性，簡化模型從而加快了計算速度。

13、在實際工況中，換熱器往往處于局部非熱平衡狀態(tài)，直接采用熱平衡模型會引入較大誤差。本發(fā)明對實際換熱器中的非熱平衡狀態(tài)做出了考慮，可以更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測換熱器在實際工況下的性能表現(xiàn)。這是因為在進(jìn)行微元結(jié)構(gòu)模擬時，可以精確計算換熱量和阻力系數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)用于整體模型的計算，確保了模擬結(jié)果的精度和可靠性。

14、在設(shè)計與優(yōu)化換熱器時，通過實際測試來獲取性能數(shù)據(jù)的成本很高，且周期長。本發(fā)明提供了一種高效的數(shù)值模擬方法，通過建立包含全細(xì)節(jié)的微元周期計算模型，將其傳熱計算結(jié)果作為實際換熱量qr，以此確定等效導(dǎo)熱系數(shù)keff,e的取值。最后將該等效導(dǎo)熱系數(shù)keff,e賦值給全尺寸多孔介質(zhì)模型，完成全尺寸模型的傳熱計算。允許設(shè)計者在計算機(jī)上進(jìn)行模擬，迅速獲得不同設(shè)計方案下的換熱器性能。這樣，設(shè)計者可以在沒有實際制造和測試換熱器的情況下進(jìn)行多種設(shè)計方案的評估和選擇，顯著降低了設(shè)計和測試的時間和成本。同時，通過與實驗數(shù)據(jù)對比，本發(fā)明的有效性得到了驗證，保證模擬仿真的準(zhǔn)確性。

15、綜上所述，本發(fā)明準(zhǔn)確模擬復(fù)雜換熱器在非熱平衡狀態(tài)下的性能，同時大幅提升計算效率和降低設(shè)計成本，極富實用價值和市場潛力，為中冷器等熱交換設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化提供了一種新的高效工具。

16、當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。