[發明專利]流體－固體耦合傳熱的松耦合建模方法

有效

• 申請號: 201610017933.0
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105677994B
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 董素君;孟繁超;江鴻升
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

一種流體－固體耦合傳熱的松耦合建模方法，其特征在于忽略流場的瞬態變化過程，假設全局瞬態傳熱過程在“準穩態”流場下進行。具體計算流程包括：A)更新流場：單獨以流體作為求解對象，將流固耦合壁面設為流體的固定溫度邊界，用穩態CFD算法求解流場；B)計算瞬態傳熱：同時以流體和固體為求解對象，將流固耦合壁面設為傳熱耦合邊界，關閉流體的動量方程和湍流方程，計算瞬態傳熱直到下次流場更新和/或計算終止；C)重復步驟A)和B)，交替進行流場更新和瞬態傳熱計算，直到到達瞬態傳熱終止時刻。針對管內空氣強迫對流換熱過程，利用本發明的建模方法與Fluent商業軟件緊耦合計算結果相比，絕對誤差在1K以下，計算效率提高一個數量級，滿足工程計算需求。

技術領域

本發明涉及一種流體－固體耦合傳熱的松耦合建模方法。

背景技術

目前，單相流固耦合傳熱問題在商業軟件中多使用瞬態CFD(計算流體力學)方法求解流場并與固體傳熱實時耦合的計算方法。在通用商業CFD軟件FLUENT中，有4中主要的瞬態CFD方法：SIMPLE(壓力耦合方程半隱方法)，SIMPLEC(協調一致的壓力耦合方程半隱方法)，PISO(壓力的隱式算子分割算法)，FSM(有限狀態機)。在每一個時間步的迭代中，流體區域的流場與溫度場耦合，流體區域的溫度場與固體區域的溫度場耦合。該算法具有較高的精度和廣泛的使用范圍，但是計算效率較低。

基本松耦合算法完全規避了瞬態CFD計算，并且完全解除了流體與固體之間的耦合。在該算法中，流體區域與固體區域分別進行求解。其中，流體使用穩態CFD求解，固體使用瞬態熱傳導求解。通常情況下，在處理流固耦合邊界面時，對流體一側的計算使用溫度邊界條件(第一類邊界條件)，對固體一側的計算使用熱流邊界條件(第二類邊界條件)。該算法的計算效率比商業軟件通用算法高一個量級以上，但精度較低且不符合物理實際。流程如下：

1)更新流場：將流體單獨加載入求解器，將流固耦合壁面設為流體的固定溫度邊界，用穩態CFD算法求解流場；

2)計算瞬態傳熱：將固體單獨加載入求解器，將流固耦合壁面設為固體的固定熱流邊界，計算瞬態傳熱直到下次流場更新或計算終止；

3)重復1)、2)兩步，交替進行流場更新和瞬態傳熱計算，直到計算中止。

流固交界面實時耦合的松耦合算法部分規避了瞬態CFD計算，并且完全保持流體與固體之間的耦合。在處理瞬態傳熱過程時，不是認為流體區域內的所有參數處于準穩態，而是只認為速度、壓強等流場參數處于準穩態，進而允許流體的溫度在瞬態計算中與固體區域溫度耦合變化。該算法算法的計算效率和精度都與商業軟件通用算法處于同一量級。流程如下：

1)在一個時間步長t1內同時計算流場和溫度場，也就是說在t1的時間步長內對能量方程和動量方程同時進行迭代求解；

2)固定流場，在下一個時間步長t2內不再進行計算流場變化，即不再對流體動量方程進行計算，只對能量方程進行迭代求解一個步長t2，得出溫度場；

3)固定溫度場不變，在t1時間內繼續同時求解流場；

4)重復步驟1)到步驟3)，直到求解結束。

發明內容

根據本發明的一個方面，提供了一種流體－固體耦合傳熱的松耦合建模方法，其特征在于忽略流場的瞬態變化過程，假設全局瞬態傳熱過程在“準穩態”流場下進行。具體計算流程包括：

A)更新流場：單獨以流體作為求解對象，將流固耦合壁面設為流體的固定溫度邊界，用穩態CFD算法求解流場；

B)計算瞬態傳熱：同時以流體和固體為求解對象，將流固耦合壁面設為傳熱耦合邊界，關閉流體的動量方程和湍流方程，計算瞬態傳熱直到下次流場更新和/或計算終止；

C)重復步驟A)和B)，交替進行流場更新和瞬態傳熱計算，直到到達瞬態傳熱終止時刻。