[发明专利]流体－固体耦合传热的松耦合建模方法

说明书

一种流体－固体耦合传热的松耦合建模方法，其特征在于忽略流场的瞬态变化过程，假设全局瞬态传热过程在“准稳态”流场下进行。具体计算流程包括：A)更新流场：单独以流体作为求解对象，将流固耦合壁面设为流体的固定温度边界，用稳态CFD算法求解流场；B)计算瞬态传热：同时以流体和固体为求解对象，将流固耦合壁面设为传热耦合边界，关闭流体的动量方程和湍流方程，计算瞬态传热直到下次流场更新和/或计算终止；C)重复步骤A)和B)，交替进行流场更新和瞬态传热计算，直到到达瞬态传热终止时刻。针对管内空气强迫对流换热过程，利用本发明的建模方法与Fluent商业软件紧耦合计算结果相比，绝对误差在1K以下，计算效率提高一个数量级，满足工程计算需求。

技术领域

本发明涉及一种流体－固体耦合传热的松耦合建模方法。

背景技术

目前，单相流固耦合传热问题在商业软件中多使用瞬态CFD(计算流体力学)方法求解流场并与固体传热实时耦合的计算方法。在通用商业CFD软件FLUENT中，有4中主要的瞬态CFD方法：SIMPLE(压力耦合方程半隐方法)，SIMPLEC(协调一致的压力耦合方程半隐方法)，PISO(压力的隐式算子分割算法)，FSM(有限状态机)。在每一个时间步的迭代中，流体区域的流场与温度场耦合，流体区域的温度场与固体区域的温度场耦合。该算法具有较高的精度和广泛的使用范围，但是计算效率较低。

基本松耦合算法完全规避了瞬态CFD计算，并且完全解除了流体与固体之间的耦合。在该算法中，流体区域与固体区域分别进行求解。其中，流体使用稳态CFD求解，固体使用瞬态热传导求解。通常情况下，在处理流固耦合边界面时，对流体一侧的计算使用温度边界条件(第一类边界条件)，对固体一侧的计算使用热流边界条件(第二类边界条件)。该算法的计算效率比商业软件通用算法高一个量级以上，但精度较低且不符合物理实际。流程如下：

1)更新流场：将流体单独加载入求解器，将流固耦合壁面设为流体的固定温度边界，用稳态CFD算法求解流场；

2)计算瞬态传热：将固体单独加载入求解器，将流固耦合壁面设为固体的固定热流边界，计算瞬态传热直到下次流场更新或计算终止；

3)重复1)、2)两步，交替进行流场更新和瞬态传热计算，直到计算中止。

流固交界面实时耦合的松耦合算法部分规避了瞬态CFD计算，并且完全保持流体与固体之间的耦合。在处理瞬态传热过程时，不是认为流体区域内的所有参数处于准稳态，而是只认为速度、压强等流场参数处于准稳态，进而允许流体的温度在瞬态计算中与固体区域温度耦合变化。该算法算法的计算效率和精度都与商业软件通用算法处于同一量级。流程如下：

1)在一个时间步长t1内同时计算流场和温度场，也就是说在t1的时间步长内对能量方程和动量方程同时进行迭代求解；

2)固定流场，在下一个时间步长t2内不再进行计算流场变化，即不再对流体动量方程进行计算，只对能量方程进行迭代求解一个步长t2，得出温度场；

3)固定温度场不变，在t1时间内继续同时求解流场；

4)重复步骤1)到步骤3)，直到求解结束。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种流体－固体耦合传热的松耦合建模方法，其特征在于忽略流场的瞬态变化过程，假设全局瞬态传热过程在“准稳态”流场下进行。具体计算流程包括：

A)更新流场：单独以流体作为求解对象，将流固耦合壁面设为流体的固定温度边界，用稳态CFD算法求解流场；

B)计算瞬态传热：同时以流体和固体为求解对象，将流固耦合壁面设为传热耦合边界，关闭流体的动量方程和湍流方程，计算瞬态传热直到下次流场更新和/或计算终止；

C)重复步骤A)和B)，交替进行流场更新和瞬态传热计算，直到到达瞬态传热终止时刻。