[发明专利]一种基于CAD软件的换热器多孔介质模型孔隙率及渗透率参数处理方法

说明书

技术领域

本发明属于计算流体力学及反应堆热工水力学技术领域，具体涉及一种基于CAD软件的换热器多孔介质模型孔隙率及渗透率参数处理方法。

背景技术

管壳式换热器是能源领域中应用最广泛的换热器类型之一，尤其是传热管具有很高的换热能力和很强的承压能力，使其在管内外介质压差较大的工况下广泛应用，如火电厂热交换器、核电站蒸汽发生器等。管壳式换热器包括传热管、支撑部件、挡流板、壳体等部件。为提高换热效率，传热管管径及管壁厚较小，其结构强度较低，为防止传热管在流致振动的作用下发生破损，采用支撑部件对其进行支撑并防止传热管振动。此外，为增大传热效率，在管壳式换热器中通常添加挡流板，使流体横向冲刷传热管，从而提高传热效率。

为了对管壳式换热器的传热能力和抗振动损坏能力进行评估，需采用高精度数值计算方法对管壳式换热器的壳侧流场进行模拟。但由于管壳式换热器结构复杂、传热管数量众多，采用常规的精细化网格对其进行建模，需要千亿量级的网格，现有的计算机无法满足这一需求。

法国工程师Darcy针对土壤内渗流问题提出多孔介质方法，并提出Darcy渗流定律；Patankar和Spalding首次将多孔介质的概念应用到换热器的分析计算中，将换热器内的流动视为流体在由传热管组成的多空空间内的流动，引入分布阻力的概念描述传热管对流动的影响，在多孔介质的粗网格的基础上，采用计算流体动力学对换热器进行三维高精度的数值模拟。把壳侧区域离散为多个规则的控制体，每个控制体内包含多个传热管的片段，在控制体内不求解每个传热管之间的流场，而是将传热管与壳侧流体打混，视为在传热管组成的流体空间内的流动，通过孔隙率描述控制体内流体所占空间，通过渗透率描述网格界面上的流体流通面积。

以稳态工况下多孔介质内的单相流动为例，其控制方程为：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

引入符号φ，将以上两式统一表达为：

对其在网格内积分，引入散度定理进行变换，并在网格界面上离散，可得

以上公式中，β为网格孔隙率、ρ为流体密度、为流体速度矢量、p为流体压力、μ_eff为流体有效粘度、为重力加速度、S_v为多孔介质模型简化引入的动量源项、γ为渗透率、A为网格面的面积、ΔV为网格体积、下标f表示该网格的第f个面。

可以看出，多孔介质模型采用孔隙率和渗透率来描述管束及其他内部构件组成的多空区域的属性，即换热器的几何信息，这两个参数的计算精度直接决定了基于多孔介质模型的数值模拟的精度。目前国内外已有不少工作采用多孔介质模型对换热器的热工水力特性进行分析，但是在这些分析中往往采用较为粗糙的方法计算多孔介质模型的参数，通常假定均匀的孔隙率和渗透率，或对区域进行分区，在每个区域内给定一个常数。这种参数给定方式不能准确的反应换热器的真实几何结构，因此影响数值模拟的计算精度，不能真实地反应换热器内的流动与传热特性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高效、高精度的换热器多孔介质模型孔隙率和渗透率参数的处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于CAD软件的换热器多孔介质模型孔隙率及渗透率参数处理方法，包括以下步骤：

(1)根据换热器的几何设计参数建立用于多孔介质模型的计算域三维几何模型；

(2)根据换热器的几何设计参数建立管壳式换热器的壳侧流体区域的三维几何模型；

(3)根据多孔介质模型所需要的网格尺度要求，采用CAE软件对(1)中建立的计算域的三维几何模型进行任意形式的网格划分，建立用于CFD分析的网格；

(4)导出(3)中生成的网格文件中的所需的网格信息；

(5)在CAD软件中，根据(4)中导出的网格信息，根据某一个网格的网格面的信息(记为第i个网格，该网格的体积为V_i，网格的所有包面的大小分别为A_ij，其中j表示第i个网格的第j个面)，采用该网格的所有面逐次切割(2)中建立的几何实体，该网格的所有面围成一个与该网格大小、形状、位置完全相同的空间，保留该空间内的实体，并删除该网格面包围的空间之外的所有实体；

(6)在CAD软件中，读取(5)中剩余的实体的体积，记为v_i，读取(5)中剩余实体的每个面的面积，记为a_ij，其中j表示第i个网格所包括的实体的的第j个面的面积；