[發明專利]流體-固體的節點化兩相流建模方法

有效

• 申請號: 201610018685.1
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105512433B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 董素君;江鴻升;孟繁超
• 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

一種求解重力驅動無相變兩相流流固耦合傳熱的流體?固體節點化兩相流建模方法。其特征在于忽略對流場的準確計算，用節點熱網絡思想處理兩相流體。具體包括：A)將液相、氣相抽象為具有一定質量、體積、溫度的節點；B)使用重力方向體積積分計算兩相分界面；C)使用一個表面輻射換熱模型計算流固耦合壁面輻射熱流密度；D)根據流固耦合壁面對流換熱熱流密度計算氣相、液相溫度；E)根據流固耦合壁面總熱流密度計算固體瞬態導熱。針對典型燃油箱內兩相流固耦合傳熱過程，利用本發明的建模方法與Fluent商業軟件相場方法計算結果相比，更好的反映了相分界面對傳熱的影響，計算效率提高一個數量級，滿足工程計算需求。

技術領域

本發明涉及流體-固體的節點化兩相流建模方法。

背景技術

目前，重力驅動簡單兩相流固耦合傳熱問題在工程上主要有兩種求解方法。

第一種方法用基于擴散分界面的“相場”方法來求解兩相流區域的流場，并與固體實時耦合。主要應用于商業CFD(計算流體力學)軟件，如FLUENT。“相場”方法用序參數φ_a(x,t)、φ_b(x,t)對兩相a、b的空間分布進行建模。在相a占據的區域φ_a(x,t)等于1，在相a不存在的區域φ_a(x,t)等于0，在相a周圍的擴散分界面內φ_a(x,t)在1到0之間連續變化。在流場中的任何位置，φ_a(x,t)與φ_b(x,t)之和都等于1。在擴散分界面內，流體的特征參數通過對兩相各自的特征參數依據序參數進行插值來獲得。所以，流場中流體的特征參數處處連續，在整個求解區域內各相的控制方程是統一的。這種方法適用范圍較廣，可以處理比較復雜的相變兩相流問題，但計算效率較低，而且處理不互溶的簡單兩相流時有一定誤差。第二種方法用節點化的方法對流體、固體進行建模，求解由這些熱節點組成的節點熱網絡。主要應用于商業節點熱網絡軟件，如Flowmaster。在工程應用中，這種算法將固體結構、兩相流體抽象成若干個具有一定溫度、質量的節點。考慮各節點間的對流、輻射、導熱作用，以及環境輻射、油箱內熱源，就可以對各節點列出熱平衡方程。對整個系統的熱平衡微分方程組進行瞬態迭代求解，就可以實現對整個流固耦合傳熱系統的仿真、求解。雖然這種方法具有高的計算效率，但計算結果的質量較差，無法給出準確的溫度場。

發明內容

根據本發明的一個方面，提供了一種流體-固體的節點化兩相流建模方法，其特征在于將兩相流體中的液相和氣相分別抽象為具有溫度、質量、體積的節點，并包括：

A)計算當前時刻兩相流體中的液相和氣相的體積，通過重力方向的體積積分計算出兩相分界面；

B)使用對流換熱公式，計算流固耦合壁面的對流換熱熱流密度；

C)使用一個表面輻射換熱模型，計算流固耦合壁面的輻射熱流密度，并將輻射熱流密度與步驟B)中求出的對流換熱熱流密度相加，獲得流固耦合壁面的總熱流密度；

D)計算下一時間步內氣相和液相獲得的總對流換熱熱量，分別更新氣相和液相的加權平均溫度；

E)根據流固耦合壁面的總熱流密度，計算流固耦合壁面的溫度梯度，進行一個時間步的固體瞬態傳熱計算；

F)下一時間步之后的時刻，重復A)至E)，直到到達瞬態傳熱終止時刻。

附圖說明

圖1是根據本發明的一個實施例的流體-固體的節點化兩相流建模方法的流程圖。

圖2是一個具備隔熱層和內置電子設備的典型飛機燃油箱模型的縱剖面示意圖，用于檢驗本發明的方法的可靠性。

圖3A顯示了用根據本發明的流體-固體的節點化兩相流建模方法對圖2所示的飛機燃油箱模型進行的數值計算的結果；圖3B顯示了用Fluent軟件對圖2所示的飛機燃油箱模型進行的計算結果。