[发明专利]一种变频CO2热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法

说明书

 [技术领域]

本发明涉及到一种变频CO₂热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法。

 [背景技术]

增强气体换热器的效果是减小系统节流损失，提高循环能效比（ COP） 的有效手段。现有的变频CO₂热泵热水器系统通常都采用翅片管换热器，虽然目前翅片管换热器的强化换热技术已经迈入了第四代，但是现有的强化换热研究绝大多数都是通过实验反复尝试总结出较好的强化方案加以应用，对于其内部的流动换热过程及强化换热机理尚未完全搞清楚。由于影响换热器强化换热性能的因素很多，实验研究通常需要很多试件，如果用实验的方法进行比较系统全面的研究，不仅会造成极大的成本浪费，同时也是不合实际的。

传统的翅片管换热器的数值模拟方法都是在直角坐标系下进行的，在圆管表面采用阶梯逼近的处理方式。但是，这种近似处理总是会存在一定的误差，而且这一误差还和网格精度有关，网格越粗误差越大，而网格划分过细又会严重浪费计算机资源，耗费过长的计算时间。另外，对于复杂区域用直角坐标系下的阶梯逼近进行模拟，不论是从难度还是精度上来说都是不可行的。换热器空气侧的换热表面是由波纹形状的翅片及圆管或椭圆管构成的复杂的不规则区域，很难采用直角坐标法生成网格，因此，到目前为止，对于波纹翅片管换热器空气侧流动与换热特性的三维数值模拟研究很难开展。 

 [发明内容]

本发明意在解决上述问题。通过采用适体坐标和块结构化相结合的方法来生成网格，解决波纹翅片管换热器计算网格生成困难的问题，提出一种合理、可行的变频CO₂热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法。

本发明的技术方案如下: 

一种变频CO2热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑴将计算区域划分为不同块，分块进行坐标变换，将物理空间的不规则区域变化成计算空间的规则区域；

⑵采用求解 Poisson 方程的方法来生成适体坐标网格；

⑶控制方程转换，将描述物理空间（x,y,z）上流动换热问题的控制方程及边界条件转换到计算空间( )；

⑷边界条件的转换,边界条件统一表达式为：

式中为通用变量，A,B,C为给定值，为边界上的法向导数。

⑸控制方程的离散，采用有限容积法对变换后的控制方程进行离散，用中心差分离散扩散项和源项，用乘方格式离散对流项，变量分布采用交错网格技术。 

所述变频CO2热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤⑵中，采用分步生成网格的方法，即先通过在三维计算区域的每个表面上求解二维Poisson 方程，生成二维面网格，然后以这些面网格为边界条件，通过在整个计算区域内求解三维 Poisson 方程的方法生成最终的三维计算网格。 

所述变频CO2热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法，其特征在于，所述二维Poisson 方程为： 

二维函数设为：

计算平面上的Poisson方程为：

其中

P，Q是控制网格分布的函数；

所述三维计算网格生成的方法为：

设有三维函数：

三维Poisson方程为：

其中

,

控制函数的选取

,,,，l，m，n为循环数，是网格节点在直角坐标系中的位置矢量。

离散迭代 

所述变频CO2热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤⑶中，基于计算坐标系的方程为：

式中，为流体密度，U、V、W分别是计算坐标系上的流量。

所述变频CO2热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤⑸中，所述离散方程为： 

所述变频CO2热泵热水器翅片管换热器的数值模拟方法，其特征在于，法向导数按照下面的方程写成计算空间的形式：

。