CN107423459A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。(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。本发明采用CAD技术计算复杂的换热器的多孔介质模型孔隙率和渗透率参数，不采用复杂的数学计算，对参数计算快速、准确且便于实施。

Description

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
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、μeff为流体有效粘度、为重力加速度、Sv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Vi，网格的所有包面的大小分别为Aij，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vi，读取(5)中剩余实体的每个面的面积，记为aij，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；
(7)计算编号为i的网格的孔隙率和该网格的第j个面的渗透率，公式如下：
βi＝vi/Vi
γij＝aij/Aij
(8)重复步骤(5)-(7)，对所有的网格进行循环遍历，完成所有网格的孔隙率和渗透率计算；
(9)删除重复面的信息，输出多孔介质模型参数。
本发明的有益效果在于：
本发明采用CAD技术计算复杂的换热器的多孔介质模型孔隙率和渗透率参数，不采用复杂的数学计算，对参数计算快速、准确且便于实施。
附图说明
图1计算域示意图；
图2计算域网格示意图；
图3网格包络的壳侧流体域示意图，其中(a)为四面体网格包络的区域，(b)为六面体网格包络的区域；
图4本发明的处理方法流程图；
图5换热器传热管布置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的阐述。
本发明涉及一种基于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。该方法包括以下步骤：(1)根据换热器的设计参数分别建立用于多孔介质模型的计算域三维几何模型和壳侧流体域三维几何模型；(2)对多孔介质模型的计算域三维几何模型进行网格划分，并导出网格信息；(3)基于网格的面信息切割壳侧流体域三维几何模型，得到网格包络的壳侧流体域；(4)读取被网格包络的壳侧流体域的体积及各个面的面积，计算孔隙率和表面渗透率。本方法可快速准确的计算基于非结构网格的换热器多孔介质模型的孔隙率和渗透率参数，且步骤简单、易于理解和实施。
本方法可对采用任意形式的非结构网格进行离散的大型换热器的各向异性的多孔介质模型参数进行自动计算，为大型换热器的传热和流动特性的精确模拟提供高精度的输入参数，相对于传统的多孔介质模型参数的处理方法，本发明给出的方法具有更高的精度且易于实现。
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；
由于多孔介质模型将换热器的流体域和固体域打混，将管束间的流动作为在分布的多空介质内的渗流，因此对于多孔介质模型的计算域，应包括换热器内的所有空间，包括壳侧流体域、固体结构域和管侧流体域，且这些域是一个混合在一起的整体，如图1所示。
(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；
首先建立管壳式换热器的固体区域和一次侧流体区域的几何模型，包括管束及其内部流体空间、挡板、固定装置、支承板、抗振条、流量分配板等，用(1)中建立的几何模型减掉固体区域和一次侧流体区域的几何模型，得到壳侧流体区域真实结构的三维模型。
(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；
根据传热管的直径和管间距，选择合适的多孔介质模型网格尺度，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，网格可以为结构、非结构、六面体、四面体或混合网格，此处以最常见的非结构四面体和六面体混合网格为例，如图2所示。
(4)导出(3)中生成的网格文件中的所需的网格信息；
需导出的网格信息包括网格编号、网格中心位置、网格体积、网格面编号、面积及其顶点坐标，网格编号连续，每一个网格的网格面编号也连续。
(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Vi，网格的所有包面的大小分别为Aij，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。
首先采用该网格的第一个面切割(2)中建立的几何实体，将其切割为两个几何实体，之后根据该网格的中心位置，判断哪个几何实体包括网格中心，删除不包括网格中心的几何实体；之后采用该网格的第二个面切割剩余的几何实体，并删除不包含网格中心的实体；依次循环，最终得到该网格内包络的几何实体，如图3所示。
(6)在CAD软件中，读取(5)中剩余的实体的体积，记为vi，读取(5)中剩余实体的每个面的面积，记为aij，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；
在CAD软件中，选择实体属性，读取(5)中剩余的实体的体积，记为vi；选择面属性，读取(5)中剩余的实体的每个面的面积，记为aij，通过判定实体的面域网格面是否共面，确定实体的面的编号j与(5)中网格面的编号j对应。
(7)计算编号为i的网格的孔隙率和该网格的第j个面的渗透率，公式如下：
βi＝vi/Vi
γij＝aij/Aij
(8)重复步骤(5)-(7)，对所有的网格进行循环遍历，完成所有网格的孔隙率和渗透率计算；
该部分内容通过对CAD软件的二次开发功能实现自动计算。
(9)删除重复面的信息，输出多孔介质模型参数。
需输出的多孔介质模型参数包括网格编号、网格孔隙率、网格面编号、网格面孔隙率。
完整的计算步骤如图4所示。
实施例
为验证本发明提出的基于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的正确性与便捷性，本申请对西屋公司设计的某型号换热器的多孔介质模型参数进行计算。
该换热器包括约10000根U型传热管，10个支承板和多组抗振条，传热管布置方式如图5所示，图中区域包括传热管1、拉杆2和管廊3。首先建立整个计算域的三维几何模型，即换热器内部的所有固体、流体空间，之后删除固体和管内流体空间，仅保留壳侧流体空间。
对计算域的三维几何模型划分网格，网格数量为44.92万，包括36.87万六面体网格和8.05万四面体网格，导出所有网格的网格编号、网格中心位置、网格顶点序号及坐标、网格体积、网格面编号和大小。
在CAD软件中，依次根据每一个网格的所有面的信息对壳侧流体域进行切割。此处选取两个典型的网格，分别为编号125902的四面体网格和编号为396411的六面体网格。
对于四面体网格，包括四个面和四个顶点，其顶点为1-(101.12mm,123.25mm,115.21mm)、2-(250.31mm,115,82mm,121.93mm)、3-(182.52mm,129.33mm,321.27mm)、4-(195.91mm,235.02mm,122.18mm)，四个面分别由顶点(1,2,3)、(2,3,4)、(1,2,4)、(1,3,4)围成，四个面的面积分别为A125902,1＝8701.228mm2、A125902,2＝13561.209mm2、A125902,3＝15136.873mm2、A125902,4＝15498.273mm2，网格体积为V125902＝585560.919mm3，依次采用这四个面切割壳侧流体域，得到网格包络的壳侧流体域空间，如图3(a)所示。在CAD软件中，读取剩余的壳侧流体域的体积和每个面的面积，分别为v125902＝321874.265mm3、a125902,1＝4700.481mm2、a125902,2＝6137.645mm2、a125902,3＝8169.431mm2、a125902,4＝8542.681mm2。
计算该网格的孔隙率及渗透率，孔隙率为0.549685361，四个面的渗透率分别为：0.540208922、0.452588335、0.539704006、0.551202124。
对于六面体网格，包括六个面和八个顶点，其顶点为1-(80.21mm,63.58mm,-23.02mm)、2-(85.95mm,180.22mm,-25.87mm)、3-(245.31mm,221.78mm,-30.08mm)、4-(232.05mm,75.85mm,-33.76mm)、5-(92.15mm,72.83mm,125.46mm)、6-(90.29mm,198.72mm,108.54mm)、7-(225.71mm,205.63mm,95.27mm)、8-(213.98mm,83.53mm,133.84mm)，六个面分别由顶点(1,2,3,4)、(1,2,6,5)、(1,4,8,5)、(3,4,8,7)、(5,6,7,8)、(2,3,7,6)围成，六个面的面积分别为A396411,1＝20090.791mm2、A396411,2＝18800.877mm2、A396411,3＝22460.823mm2、A396411,4＝20884.897mm2、A396411,5＝18322.383mm2、A396411,6＝19200.181mm2，网格体积为V396411＝2751420.061mm3，依次采用这六个面切割壳侧流体域，得到网格包络的壳侧流体域空间，如图3(b)所示。在CAD软件中，读取剩余的壳侧流体域的体积和每个面的面积，分别为v396411＝1524635.335mm3、a396411,1＝11193.555mm2、a396411,2＝10618.139mm2、a396411,3＝13142.448mm2、a396411,4＝11303.000mm2、a396411,5＝10107.664mm2、a396411,6＝10616.428mm2。
计算该网格的孔隙率及渗透率，孔隙率为0.554126706，六个面的渗透率分别为：0.557148546、0.564768282、0.585127624、0.541204489、0.551656627、0.552933746。

Claims (6)

1.一种基于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，其特征在于，包括如下步骤：
(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)对计算域几何模型进行任意形式的网格划分，建立CFD分析所需网格；
(4)导出网格文件中的所需的网格信息；
(5)采用导出的网格的面切割壳侧流体区域三维几何模型，得到被网格包络的壳侧流体域；
(6)读取被网格包络的壳侧流体域的体积及每个面的面积；
(7)计算该网格的孔隙率和每个面的渗透率；
(8)重复(5)-(7)，遍历所有网格，得到所有网格孔隙率和渗透率，删除重复面信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于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，其特征在于：步骤(1)中的用于多孔介质模型的计算域三维几何模型包括壳侧流体域、管侧流体域及换热器内的所有固体部件。
3.根据权利要求1所述的一种基于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，其特征在于：步骤(2)中的壳侧流体区域的三维几何模型为步骤(1)中的几何模型删除固体及管侧空间。
4.根据权利要求1所述的一种基于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，其特征在于：任意形式的网格，包括结构、非结构网格，四面体、六面体、多面体等网格。
5.根据权利要求1所述的一种基于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，其特征在于：所需的网格信息包括网格编号、网格中心位置、网格体积、网格面编号、面积及其顶点坐标。
6.根据权利要求1所述的一种基于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，其特征在于：孔隙率计算公式为βi＝vi/Vi，渗透率计算公式为γij＝aij/Aij，其中vi和Vi分别为网格包络的壳侧流体域的体积和网格自身体积，aij和Aij分别为网格包络的壳侧流体域的每个面的面积和网格每个面的面积。
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