[發明專利]一種印刷電路板式換熱器壓降及分流均勻性數值計算方法

有效

• 申請號: 202210061227.1
• 申請日: 2022-01-19
• 公開（公告）號: CN114492237B
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 李昕澤;張大林;蘇光輝;李新宇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/11;G06F113/08;G06F113/14;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種印刷電路板式換熱器壓降及分流均勻性數值計算方法，其特征在于：根據換熱器結構建立流動阻力多級模型，采用沿程阻力與局部阻力公式計算各管道多級壓降，并根據各管道壓降在多級模型中的分布計算芯體各流道內速度分布，最終得到工質經過換熱器芯體的整體壓降及各流道內流量相對均勻性；

該方法計算對象換熱器結構包括一次側換熱板(1)、二次側換熱板(2)、上蓋板(3)、下蓋板(4)、一次側入口(5)、一次側出口(6)、二次側入口(7)及二次側出口(8)；其中一次側換熱板(1)與二次側換熱板(2)交替布置，形成疊加方向周期性變化的溫度分布，一次側入口(5)及一次側出口(6)采用對稱設計作為一次側壓力邊界，二次側入口(7)及二次側出口(8)采用對稱設計作為二次側壓力邊界；一次側換熱板(1)與二次側換熱板(2)采用半圓形流道；

進行計算時，需已知或能夠初步獲得以下物性參數：換熱器所選結構材料及物性，一次側與二次側流體工質設計壓力P、一次側與二次側流體工質流量Q、一次側與二次側流體工質進口溫度T₀、一次側與二次側流體工質出口溫度T_∞；

進行計算時，需已知或能夠初步獲得以下換熱器結構參數：一次側與二次側換熱板厚度H，一次側與二次側換熱板流道長度D，一次側與二次側流道數N，一次側與二次側流道半徑r，一次側與二次側流道間距d，一次側與二次側的換熱板層數C，一次側與二次側入口管道半徑R₀，一次側與二次側出口管道半徑R_∞，一次側與二次側入口管道長度l₀，一次側與二次側出口管道長度l_∞，一次側與二次側入口腔體長度L₀，一次側與二次側出口腔體長度L_∞；

計算方法在描述過程中使用的英文字母及后方數字編號具有以下規則：一次側與二次側采用相同方法獨立計算，故不對參數進行角標區分，英文字母與其表達的定義為一一對應關系，對于流量Q，下角標₀表示入口或初始值，則Q₀表示入口流量，下角標_∞表示最終值或出口值，則Q_∞表示出口流量；

對于下述步驟中的流動阻力多級模型具有以下規則：對于流動阻力多級模型，壓降以ΔP表示，通過后標1～9的數字表示一至九級，并以后標L表示局部阻力，后標F表示沿程阻力；對于芯體流道，以下角標_ij表示，其中模型中軸線流道作為No.0?0流道，No.ij為同層內與No.0?0流道差i個流道間距，層數差j層的流道，其中每層包括一層一次側換熱板，一層二次側換熱板；編號只與間距相關，由于對稱性，每個編號存在四條流道，其計算過程與結果相同；

所述數值計算方法具體包括以下步驟：

步驟1，建立流動阻力多級模型：流動阻力多級模型依據工質在換熱器內流經截面尺寸變化與流動路線，共分為入口管道阻力、入口管道至入口腔體阻力、入口腔體內阻力、入口腔體至芯體阻力、芯體內阻力、芯體至出口腔體阻力、出口腔體內阻力、出口腔體至出口管道阻力、出口管道阻力九級，一次側與二次側各自組成獨立的多級模型；對于每級模型，根據阻力類型分為局部阻力和沿程阻力；

步驟2，進行流動阻力多級模型數值計算：數值計算的基本對象為每條流道中流動工質所形成的流管，工質總壓降與各流管壓降相等，即計算過程中入口段一至四級采用入口溫度作為參考溫度，換熱器芯體五級采用平均溫度作為參考溫度，出口段六至九級采用出口溫度作為參考溫度；

其中一級阻力為沿程阻力，ΔP1＝ΔP1L_ij＝λ1L1ρV1²/(2*d_h1)，式中λ1為一級沿程阻力系數，根據工質雷諾數選取對應經驗公式計算，L1為一級工質流動路徑長度，L1＝l₀，ρ為工質密度，V1為工質一級處流動速度，V1＝Q/πR₀²ρ，d_h為水力直徑；

二級阻力為局部阻力，ΔP2＝ΔP2F_ij＝ζ2ρV1²/2，式中ζ2為二級局部阻力系數，ζ2由突闊局部阻力系數經驗公式計算；

三級阻力為局部阻力和沿程阻力，ΔP3＝ΔP3L_ij+ΔP3F_ij＝λ3L3_ijρV3²/(2*d_h3)+2*ζ3_ijρV3_ij²/2，式中λ3根據工質雷諾數選取對應經驗公式計算，V3＝Q/DCHρ，ζ3由90°標準彎頭局部阻力系數經驗公式計算；

四級阻力為局部阻力，ΔP4＝ΔP4F_ij＝ζ4ρV5_ij²/2，式中ζ4由突縮局部阻力系數經驗公式計算，V5_ij為求解目標，通過后文速度分布方程組計算；

五級阻力為局部阻力和沿程阻力，ΔP5＝ΔP5L_ij+ΔP5F_ij＝λ5L5_ijρV5²/(2*d_h5)+nζ5_ijρV5_ij²/2，式中λ5根據工質雷諾數選取對應經驗公式計算，雷諾數中速度項使用V5平均速度，其中L5_ij＝D，n為換熱板流道彎頭數，ζ5由方形彎頭局部阻力系數經驗公式計算；

六級阻力為局部阻力，ΔP6＝ΔP6F_ij＝ζ6ρV5_ij²/2，式中ζ6由突闊局部阻力系數經驗公式計算；

七級阻力為局部阻力和沿程阻力：ΔP7＝ΔP7L_ij+ΔP7F_ij＝λ7L7_ijρV7²/(2*d_h7)+2*ζ7_ijρV7_ij²/2，式中λ7根據工質雷諾數選取對應經驗公式計算，V7＝Q/DCHρ，保守計算ζ7由90°標準彎頭局部阻力系數經驗公式計算；

八級阻力為局部阻力，ΔP8＝ΔP8F_ij＝ζ8ρV9²/2，ζ8由突縮局部阻力系數經驗公式計算；

九級阻力為沿程阻力，ΔP9＝ΔP9L_ij＝λ9L9ρV9²/(2*d_h9)，式中λ9根據工質雷諾數選取對應經驗公式計算，L9＝l_∞，V9＝Q/πR_∞²ρ；

建立速度分布方程組：

使用迭代法求解方程組得到ΔP和V5_ij，對V5_ij進行歸一化分布計算，結果為芯體分流均勻性。