CN108694274A - 冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统及其方法 - Google Patents

冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统及其方法，属于计算机辅助设计技术领域。本发明包括数据导入模块，用于接收用户导入的建模信息，建模信息包括运行数值仿真模块的运行参数、用于表示热管内气液的传质传热参数和用于建立仿真场景的场景参数；数值仿真模块，用于根据运行参数，对于热管发生的蒸发冷凝相变过程进行模拟，实时输出数值仿真结果；渲染仿真模块，用于根据场景参数建立热管的气液交界面处的三维模型，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；根据设置的边界条件，利用算法，求解出冷凝过程的三维模型；本发明系统解决了模拟相变过程中无法冷凝或者冷凝量极少的问题；本发明方法可得到准确而直观的冷凝相变过程。

Description

冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统及其方法，属于计算机辅助设计技术领域。
背景技术
蒸发冷凝过程是工业工程中普遍存在的现象。在许多工程实际问题中，蒸发冷凝相变过程直接决定了整个系统的优劣，例如热管内的蒸发冷凝过程。
目前数值模拟仿真软件对于蒸发过程能够进行较为准确的模拟，但是对于冷凝过程的模拟十分欠缺，目前绝大多数商业软件均不能进行正确的冷凝过程的模拟。
虽然很多软件均开放了二次开发的接口，但是目前由于缺少非常完善的理论支撑，导致冷凝过程的模拟进展缓慢，效果也不理想。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统及其方法，其目的是解决当前数值仿真软件无法准确模拟冷凝相变的难题。
本发明所述的一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，包括：
数据导入模块，用于接收用户导入的建模信息，建模信息包括运行数值仿真模块的运行参数、用于表示热管内气液的传质传热参数和用于建立仿真场景的场景参数；
数值仿真模块，用于根据运行参数，对于热管发生的蒸发冷凝相变过程进行模拟，实时输出数值仿真结果；
渲染仿真模块，用于根据场景参数建立热管的气液交界面处的三维模型，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；根据设置的边界条件，利用SIMPLE算法、耦合算法、离散方法，求解出冷凝过程的三维模型。
优选地，所述数据导入模块包括：
交界面传质模型，用于根据用户导入的运行参数，模拟热管内气液交界面的传质速率和液相或者气相的体积分数，并实时输出模拟结果；
交界面传热模型，用于根据用户导入的运行参数，模拟热管内气液交界面的气液交界面处的对流换热系数，并实时输出模拟结果。
优选地，所述交界面传质模型的参数，包括热管内的饱和蒸气压、对应饱和蒸气压下的饱和温度、传质速率、液相或者气相的体积分数。
优选地，所述交界面传热模型的参数，包括热管内的饱和蒸气压、对应饱和蒸气压下的饱和温度、气液交界面处的对流换热系数。
优选地，所述数值仿真模块采用FLUENT软件，模拟相变发生的气液交界面处的C语言源项，并进行判断相变发生与否。
优选地，所述渲染仿真模块包括：
建模单元，用于对于热管内气液进行建模，以构建模型的基本元素；
仿真单元，用于根据数值仿真结果，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；
CFD处理单元，用于处理数值仿真结果，调用数据库，得到准确而直观的冷凝相变过程。
本发明所述的一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统的方法，包括如下步骤：
S1：数据导入模块接收用户导入的建模信息，包括交界面传质模型的传质速率和液相或者气相的体积分数参数，以及交界面传热模型的对流换热系数参数；
S2：数值仿真模块利用FLUENT软件模拟热管发生的蒸发冷凝相变过程，将FLUENT软件的网格单元的温度与饱和温度进行对比，对比方式包括如下小步：
S21：传质对比：
如果温度高于饱和温度，Mlv＝coeff*al*roul*(tl-ts)/ts (1)
如果温度低于饱和温度，Mvl＝coeff*av*rouv*(ts-tv)/ts (2)
式中，coeff为传质速率；a为液相或者气相的体积分数；t为温度；ts为饱和温度；
S22：传热对比：
如果温度高于饱和温度，Ql＝hlAi*(ts-tl)-mlvhls (3)
如果温度低于饱和温度，Qv＝hvAi*(ts-tv)+mlvhvs (4)
式中，h为气液交界面处的对流换热系数；t为温度；ts为饱和温度；
S23：对比决策：
如果温度高于饱和温度则液相转换为气相，则：
质量传递的方程为：Mlv＝coeff*al*roul*(tl-ts)/ts (5)
能量传递的方程为：Ql＝hlAi*(ts-tl)-mlvhls (6)
如果温度低于饱和温度则气相转换为液相，则：
质量传递的方程为：Mvl＝coeff*av*rouv*(ts-tv)/ts (7)
能量传递的方程为：Qv＝hvAi*(ts-tv)+mlvhvs (8)
S3：渲染仿真模块根据场景参数建立热管的气液交界面处的三维模型，加载二次开发程序，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；根据设置的边界条件，并进行相应的软件设定，利用SIMPLE算法、耦合算法、离散方法、迎风格式的选取，求解出冷凝相变过程的三维模型。
优选地，本发明所述的方法还包括以下前置步骤：
S11：求解域的构建；S12：定义材料属性；S13：网格划分。
优选地，本发明所述的方法还包括步骤S4：后处理分析，用于冷凝相变的过程的动画演示以及数据分析。
本发明的有益效果是：(1)采用本发明所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，解决了以往数值分析软件模拟相变过程中无法冷凝或者冷凝量极少的问题；(2)通过冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统的方法，进行冷凝相变的模拟可以得到准确而直观的冷凝相变过程。
附图说明
图1是本发明系统的原理框图。
图2是本发明系统的结构示意图。
图3是本发明方法的原理流程框图。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明所述的一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，包括：
数据导入模块，用于接收用户导入的建模信息，建模信息包括运行数值仿真模块的运行参数、用于表示热管内气液的传质传热参数和用于建立仿真场景的场景参数；
数值仿真模块，用于根据运行参数，对于热管发生的蒸发冷凝相变过程进行模拟，实时输出数值仿真结果；
渲染仿真模块，用于根据场景参数建立热管的气液交界面处的三维模型，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；根据设置的边界条件，利用SIMPLE算法、耦合算法、离散方法，求解出冷凝过程的三维模型。
实施例2：
下面以闭式循环振荡热管的冷凝相变成为例对本发明的原理进行解释。
现有技术人员困扰的问题的实质是：目前数值模拟仿真软件对于蒸发过程能够进行较为准确的模拟，但是对于冷凝过程的模拟十分欠缺。
闭式循环振荡热管内运用蒸发冷凝相变传热传质机制，数值模拟了起始工作状态振荡热管内汽液两相流动。其中，加热段内汽泡的产生，长大，聚并和冷凝段汽柱的凝结，破碎是起始工作段管内的典型现象；管内的主要流型有塞状流、塞状流和环状流并存的混合流、环状一半环状流，不同的流型会带来不同的换热工况。
如图2所示，本发明采用三维模拟，对热管的内部流场和壁面均采用六面体网格划分。模拟流体沸腾时局部湍流流动，湍流模型采用引人了旋转和曲率修正的模型，流场近壁面处采用标准壁面函数处理。动量方程采用二阶迎风差分格式离散，其他方程均采用一阶迎风差分格式离散。采用几何重建方法获得界面形状。
数值模拟中，首先在恒壁温27℃边界条件下，模拟初始充液后热管内气液两相的分布状况；达到初始稳定状态后，蒸发段和冷凝段分别采用100W恒热流密度加热和冷却，计算振荡热管内气液两相流运动。
具体地，所述数据导入模块包括：
交界面传质模型，用于根据用户导入的运行参数，模拟热管内气液交界面的传质速率和液相或者气相的体积分数，并实时输出模拟结果；
交界面传热模型，用于根据用户导入的运行参数，模拟热管内气液交界面的气液交界面处的对流换热系数，并实时输出模拟结果。
优选地，所述交界面传质模型的参数，包括热管内的饱和蒸气压、对应饱和蒸气压下的饱和温度、传质速率、液相或者气相的体积分数。
优选地，，所述交界面传热模型的参数，包括热管内的饱和蒸气压、对应饱和蒸气压下的饱和温度、气液交界面处的对流换热系数。
所述数值仿真模块采用FLUENT软件，模拟相变发生的气液交界面处的C语言源项，并进行判断相变发生与否。
所述渲染仿真模块包括：
建模单元，用于对于热管内气液进行建模，以构建模型的基本元素；
仿真单元，用于根据数值仿真结果，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；
CFD处理单元，用于处理数值仿真结果，调用数据库，得到准确而直观的冷凝相变过程。
实施例3：
如图3所示，本发明所述的一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统的方法，包括如下步骤：
S1：数据导入模块接收用户导入的建模信息，包括交界面传质模型的传质速率和液相或者气相的体积分数参数，以及交界面传热模型的对流换热系数参数；
S2：数值仿真模块利用FLUENT软件模拟热管发生的蒸发冷凝相变过程，将FLUENT软件的网格单元的温度与饱和温度进行对比，对比方式包括如下小步：
S21：传质对比：
如果温度高于饱和温度，Mlv＝coeff*al*roul*(tl-ts)/ts (1)
如果温度低于饱和温度，Mvl＝coeff*av*rouv*(ts-tv)/ts (2)
式中，coeff为传质速率；a为液相或者气相的体积分数；t为温度；ts为饱和温度；
S22：传热对比：
如果温度高于饱和温度，Ql＝hlAi*(ts-tl)-mlvhls (3)
如果温度低于饱和温度，Qv＝hvAi*(ts-tv)+mlvhvs (4)
式中，h为气液交界面处的对流换热系数；t为温度；ts为饱和温度；
S23：对比决策：
如果温度高于饱和温度则液相转换为气相，则：
质量传递的方程为：Mlv＝coeff*al*roul*(tl-ts)/ts (5)
能量传递的方程为：Ql＝hlAi*(ts-tl)-mlvhls (6)
如果温度低于饱和温度则气相转换为液相，则：
质量传递的方程为：Mvl＝coeff*av*rouv*(ts-tv)/ts (7)
能量传递的方程为：Qv＝hvAi*(ts-tv)+mlvhvs (8)
S3：渲染仿真模块根据场景参数建立热管的气液交界面处的三维模型，加载二次开发程序，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；根据设置的边界条件，并进行相应的软件设定，利用SIMPLE算法、耦合算法、离散方法、迎风格式的选取，求解出冷凝相变过程的三维模型。
优选地，本发明所述的方法还包括以下前置步骤：
S11：求解域的构建；S12：定义材料属性；S13：网格划分。
优选地，本发明所述的方法还包括步骤S4：后处理分析，用于冷凝相变的过程的动画演示以及数据分析。
本发明所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，解决了以往数值分析软件模拟相变过程中无法冷凝或者冷凝量极少的问题；通过冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统的方法，进行冷凝相变的模拟可以得到准确而直观的冷凝相变过程。
本发明可广泛运用于计算机辅助设计场合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，其特征在于，包括：
数据导入模块，用于接收用户导入的建模信息，建模信息包括运行数值仿真模块的运行参数、用于表示热管内气液的传质传热参数和用于建立仿真场景的场景参数；
数值仿真模块，用于根据运行参数，对于热管发生的蒸发冷凝相变过程进行模拟，实时输出数值仿真结果；
渲染仿真模块，用于根据场景参数建立热管的气液交界面处的三维模型，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；根据设置的边界条件，利用SIMPLE算法、耦合算法、离散方法，求解出冷凝过程的三维模型。
2.根据权利要求1所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，其特征在于，所述数据导入模块包括：
交界面传质模型，用于根据用户导入的运行参数，模拟热管内气液交界面的传质速率和液相或者气相的体积分数，并实时输出模拟结果；
交界面传热模型，用于根据用户导入的运行参数，模拟热管内气液交界面的气液交界面处的对流换热系数，并实时输出模拟结果。
3.根据权利要求2所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，其特征在于，所述交界面传质模型的参数，包括热管内的饱和蒸气压、对应饱和蒸气压下的饱和温度、传质速率、液相或者气相的体积分数。
4.根据权利要求2所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，其特征在于，所述交界面传热模型的参数，包括热管内的饱和蒸气压、对应饱和蒸气压下的饱和温度、气液交界面处的对流换热系数。
5.根据权利要求1所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，其特征在于，所述数值仿真模块采用FLUENT软件，模拟相变发生的气液交界面处的C语言源项，并进行判断相变发生与否。
6.根据权利要求1所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统，其特征在于，所述渲染仿真模块包括：
建模单元，用于对于热管内气液进行建模，以构建模型的基本元素；
仿真单元，用于根据数值仿真结果，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；
CFD处理单元，用于处理数值仿真结果，调用数据库，得到准确而直观的冷凝相变过程。
7.一种根据权利要求1～6任一所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：数据导入模块接收用户导入的建模信息，包括交界面传质模型的传质速率和液相或者气相的体积分数参数，以及交界面传热模型的对流换热系数参数；
S2：数值仿真模块利用FLUENT软件模拟热管发生的蒸发冷凝相变过程，将FLUENT软件的网格单元的温度与饱和温度进行对比，对比方式包括如下小步：
S21：传质对比：
如果温度高于饱和温度，Mlv＝coeff*al*roul*(tl-ts)/ts (1)
如果温度低于饱和温度，Mvl＝coeff*av*rouv*(ts-tv)/ts (2)
式中，coeff为传质速率；a为液相或者气相的体积分数；t为温度；ts为饱和温度；
S22：传热对比：
如果温度高于饱和温度，Ql＝hlAi*(ts-tl)-mlvhls (3)
如果温度低于饱和温度，Qv＝hvAi*(ts-tv)+mlvhvs (4)
式中，h为气液交界面处的对流换热系数；t为温度；ts为饱和温度；
S23：对比决策：
如果温度高于饱和温度则液相转换为气相，则：
质量传递的方程为：Mlv＝coeff*al*roul*(tl-ts)/ts (5)
能量传递的方程为：Ql＝hlAi*(ts-tl)-mlvhls (6)
如果温度低于饱和温度则气相转换为液相，则：
质量传递的方程为：Mvl＝coeff*av*rouv*(ts-tv)/ts (7)
能量传递的方程为：Qv＝hvAi*(ts-tv)+mlvhvs (8)
S3：渲染仿真模块根据场景参数建立热管的气液交界面处的三维模型，加载二次开发程序，将数值仿真结果通过三维渲染方式动态演示出来；根据设置的边界条件，并进行相应的软件设定，利用SIMPLE算法、耦合算法、离散方法、迎风格式的选取，求解出冷凝相变过程的三维模型。
8.根据权利要求7所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统的方法，其特征在于，还包括以下前置步骤：
S11：求解域的构建；S12：定义材料属性；S13：网格划分。
9.根据权利要求7所述的冷凝相变二次开发分析的数值仿真系统的方法，其特征在于，还包括步骤S4：后处理分析，用于冷凝相变的过程的动画演示以及数据分析。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112287579A (zh) * 2020-10-26 2021-01-29 西安交通大学 考虑组分分布的二元非共沸混合工质冷凝蒸发仿真方法
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