CN112800656A - 一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法 - Google Patents

一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法 Download PDF

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CN112800656A CN202110293297.5A CN202110293297A CN112800656A CN 112800656 A CN112800656 A CN 112800656A CN 202110293297 A CN202110293297 A CN 202110293297A CN 112800656 A CN112800656 A CN 112800656A
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fouling
deposition
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model
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任体秀
马良栋
江丽
徐阳
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Nanjing Yangtze River Urban Architectural Design Co Ltd
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Abstract

本发明公布了一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，包括建立网格模型、建立沉积模型、建立剥离模型、建立污垢热阻模型、数值模拟仿真、数据处理、模型验证等多个步骤，从四种沉积机制出发建立颗粒污垢沉积模型，根据经验公式建立污垢剥离模型，利用污垢热阻公式建立污垢热阻模型，同时采用实验值对模型进行了验证，保证了模型的准确性，可预测得到未来任意时刻换热面上污垢热阻数值，实现了换热设备内颗粒污垢热阻的预测，为换热系统的设计提供可靠的数据支持。

Description

一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法
技术领域
本发明涉及一种预测方法，具体涉及一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，属于换热系统技术领域。
背景技术
换热器的换热能力主要取决于换热器的总换热系数，当换热表面存在污垢时，换热器的换热系数会降低，导致换热系统的运行能耗增加，污垢还会腐蚀设备，导致经济损失，甚至引发一系列的安全事故。目前的污水源热泵系统设计过程中缺乏理论指导，设计者通常使用污垢因子来考虑污垢的存在，这会导致换热器的额外成本。同时，为了提高污水泵的通过能力，研究人员通常会加大管径，使有效点向大流量方向移动，导致泵在较低的比转速下运行，不仅影响泵的效率，还容易造成电机过载烧毁。因此，准确预测污垢热阻，对于设计污水换热系统有着至关重要的作用。
目前，对于污垢热阻的监测主要通过实验的方法来实现，如：申请号为CN202010563845.7的中国专利“循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统及监测方法”包括如下步骤：（1）通过超滤设备所在回路系统将水中悬浮物、微生物、胶体等物质从水出分离除去，利用剩下离子测试得到结垢速率；（2）通过电渗析设备所在回路系统将水中离子从水出分离除去，利用剩下微生物、有机物、胶体测试得到沉积速率；（3）基于若干组试验数据，计算得到换热系数，然后得到传热系数的期望，进而得到质量变化量与换热系数之间的线性关系，结合温度传感器、流量传感器、工业计算机实时在线计算出结垢速率、沉积速率。但该技术仅能计算实时状态下的结垢速率和沉积速率，无法预测未来时刻污垢的沉积情况，对于换热系统前期设计过程无法提供数据支持，且该监测方法需要搭建实验系统，存在耗时耗力、实验测定误差大、实验工况无法复制等诸多问题。
基于上述问题，亟需提出一种合理的预测颗粒污垢热阻的方法，以解决上述问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，该方法具有仿真模拟速度快、经济、省时省力、可视化、可简化复杂问题等优点。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
本发明首先公布了一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，包括如下步骤：
S1、建立网格模型
根据换热面形状及尺寸，利用ICEM软件建立换热面物理模型并划分六面体网格，进行网格无关化验证，保证最低网格质量高于0.25，即六面体网格中每一个六面体的雅可比值都大于0.25；
雅可比是用来度量实际单元形状与相应该类型单元的理想形状之间的差异的，本发明中要求其大于0.25，即可保证网格质量。
S2、建立沉积模型
基于颗粒污垢的四种沉积机制，利用ANSYS-Fluent中软件的UDF函数计算颗粒污垢沉积率。污垢的形成包括颗粒沉积到壁面形成污垢，以及在水流剪切力或者其他颗粒的碰撞作用下脱离壁面的整个过程，当沉积和剥离达到动态平衡时，壁面上颗粒污垢沉积量达到最大值，污垢热阻达到渐进值。因此，发明人分析导致污垢沉积的机制包括：布朗和涡旋扩散沉积、重力沉积、湍流沉积以及热泳沉积。
S3、建立剥离模型
基于经验公式计算颗粒污垢剥离率；
S4、建立污垢热阻模型
计算得到污垢净沉积量，基于污垢热阻公式计算颗粒污垢热阻；
S5、数值模拟仿真
将步骤S1建立的网格模型导入Ansys-Fluent软件中，载入步骤S2编写的UDF，设置数值模拟计算边界条件，选择湍流、多相流、能量模型，进行流场分析计算，得到所需条件下的颗粒污垢沉积率，将模拟数据保存到用户自定义储存UDM中并导出；
S6、数据处理
数值模拟后输出的数据通过步骤S5建立的数值模拟仿真模型进行处理，依次得到颗粒沉积率、颗粒污垢剥离率、沉积质量、及颗粒污垢热阻；
S7、模型验证
利用实验数据验证颗粒污垢模型的准确性。
优选地，前述步骤S2中，四种沉积机制为：布朗和涡旋扩散沉积、重力沉积、湍流沉积以及热泳沉积。
更优选地，前述基于布朗和涡旋扩散沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 864185DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 661240DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 801234DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 974727DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，
Figure 985408DEST_PATH_IMAGE005
为布朗和涡旋扩散沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 218943DEST_PATH_IMAGE006
为壁面剪切应力，单位为Pa；
Figure 315075DEST_PATH_IMAGE007
为污水密度，单位为kg/m3；
Figure 26679DEST_PATH_IMAGE008
为主流区颗粒浓度，单位为kg/m3；
Figure 891867DEST_PATH_IMAGE010
为污水运动粘度，单位为m/s2，
Figure 358621DEST_PATH_IMAGE011
为布朗扩散系数，
Figure 942049DEST_PATH_IMAGE012
为湍流扩散系数，
Figure 191764DEST_PATH_IMAGE014
是对壁面法向上的坐标进行无量纲化处理的结果；u*为摩擦速度，单位为m/s；
Figure 708196DEST_PATH_IMAGE015
为颗粒直径，单位为m，200是假设的主流区域至壁面处法向上的无量纲距离；
所述基于重力沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 17955DEST_PATH_IMAGE016
（5）
Figure 88679DEST_PATH_IMAGE017
（6）
其中，
Figure 142086DEST_PATH_IMAGE018
为重力沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 247445DEST_PATH_IMAGE019
为颗粒的弛豫时间，单位为s；g为重力加速度，单位为m/s2；
Figure 728105DEST_PATH_IMAGE020
为颗粒密度，单位为kg/m3；
Figure 20546DEST_PATH_IMAGE021
为污水动力粘度，单位为kg/(m·s)；
所述基于湍流沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 408802DEST_PATH_IMAGE022
（7）
其中，
Figure 103089DEST_PATH_IMAGE023
为湍流沉积率，单位为kg/(m2•s)；其余参数含义同上；
所述基于热泳沉积率的计算公式为：
Figure 754650DEST_PATH_IMAGE024
（8）
其中，
Figure 799966DEST_PATH_IMAGE025
为热泳沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 523072DEST_PATH_IMAGE026
为热泳扩散系数；T为温度，单位为K；
Figure 71865DEST_PATH_IMAGE027
为壁面法向上的温度梯度；
综合上述四种沉积机制，颗粒污垢总沉积率为：
Figure 159906DEST_PATH_IMAGE028
（9）。
更进一步优选地，前述步骤S3中，颗粒污垢剥离率计算公式为：
Figure 958098DEST_PATH_IMAGE029
（10）
其中，
Figure 156998DEST_PATH_IMAGE030
为颗粒污垢剥离率，K为剥蚀常数；
Figure 560298DEST_PATH_IMAGE032
为污垢层的强度因子；
Figure 819241DEST_PATH_IMAGE033
为污垢层厚度。
再进一步优选地，前述步骤S4中，污垢净沉积量等于沉积量减剥离量，计算公式为：
Figure 839149DEST_PATH_IMAGE034
(11)
其中，
Figure 576161DEST_PATH_IMAGE035
为颗粒污垢净沉积量，
Figure 99546DEST_PATH_IMAGE036
为颗粒污垢沉积量，
Figure 60549DEST_PATH_IMAGE038
为颗粒污垢剥离量，t为沉积时间；
污垢热阻计算公式为：
Figure 36595DEST_PATH_IMAGE039
（12）
其中，
Figure 577298DEST_PATH_IMAGE040
为污垢热阻，
Figure 220769DEST_PATH_IMAGE041
为污垢层密度，
Figure 883832DEST_PATH_IMAGE043
为污垢层导热率。
再进一步优选地，前述步骤S5中，将网格模型导入Ansys-Fluent软件中进行流场分析计算，并载入UDF，选择湍流、多相流、能量模型，采用不可压缩流体的连续性方程和纳维－斯托克斯(N-S)方程以及能量守恒方程进行控制，控制方程如下：
连续性方程：
Figure 612753DEST_PATH_IMAGE044
（13）
动量方程：
Figure 691568DEST_PATH_IMAGE045
（14）
能量方程：
Figure 189545DEST_PATH_IMAGE046
（15）
式（13）~（15）中，下标
Figure 961192DEST_PATH_IMAGE047
是污水和颗粒的通式写法，当其为l时代表污水，当其为p时代表颗粒，u为流速，p为压力，x为坐标，t为时间，
Figure 177410DEST_PATH_IMAGE048
为导热率，
Figure 59915DEST_PATH_IMAGE050
为比热，T为温度，j为坐标系。
同时，入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，壁面采用无滑移恒壁温边界条件；当连续性方程的残差小于10-3且动量方程和能量方程的残差小于10-6时，认为结果收敛。
更进一步优选地，前述步骤S6中，将数值模拟后输出的数据进行处理，将沉积率乘以时间得到单位面积上颗粒污垢沉积质量，利用经验公式计算颗粒污垢剥离率，再通过污垢热阻公式计算任意时刻下的颗粒污垢热阻。
更进一步优选地，前述步骤S7中，通过对圆管中氧化镁颗粒污垢的生长过程进行了模拟，将模拟值与实验值进行对比，验证了模型的准确性。
更进一步优选地，前述步骤S7中，采用直径为22mm、长度为1500mm的水平圆管作为试验段，200mg/L氧化镁颗粒的污水以0.2m/s的流速流入圆管，经恒壁温管道加热后从出口流出，在此期间，氧化镁颗粒在基于四种沉积机制沉积到管壁，形成颗粒污垢。通过该步骤对模型进行验证，确保该预测方法准确可靠。
更进一步地，本发明的方法还包括步骤S8、实际应用：根据实际情况建立网格模型，编写UDF，设置相应的边界条件和模拟参数，从而预测不同工况下任意时刻换热面上的污垢热阻值。
本发明的有益之处在于：
（1）本发明的预测方法通过数值模拟计算颗粒污垢热阻，基于欧拉法，利用ANSYS-Fluent中用户自定义函数(UDF)，从四种沉积机制出发建立颗粒污垢沉积模型，根据经验公式建立污垢剥离模型，利用污垢热阻公式建立污垢热阻模型，同时采用实验值对模型进行了验证，保证了模型的准确性。
（2）本发明的预测方法基于数值模拟结果，利用CFD软件对换热面上颗粒污垢的沉积过程进行数值仿真，从而得到未来任意时刻换热面上污垢热阻数值，实现了换热设备内颗粒污垢热阻的预测，为换热系统的设计提供可靠的数据支持；
（3）本发明的方法可模拟任何工况下的污垢热阻变化情况，具有仿真模拟速度快、经济、省时省力、可视化、可简化复杂问题等优点，且处理信息量大，能较为精准地预测未来，克服了现有技术中实验耗时耗力、实验测量误差大、实验工况无法复制等诸多缺陷。
附图说明
图1是本发明的预测颗粒污垢热阻的方法的流程框图；
图2是本发明中颗粒污垢沉积模型的建立流程框图；
图3是本发明的方法得到的污垢热阻预测值与实验值的对比结果图。
具体实施方式
为进一步了解和实施本发明，以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
结合图1，本实施例的一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，其步骤如下：
S1、建立网格模型
基于换热设备的具体形状及尺寸，建立污水换热设备的细观三维几何模型，根据计算域内实际情况，利用ICEM CFD软件进行非结构化四面体网格的划分，从而实现计算域离散。
为了准确模拟污水在换热设备内的流场，必须进行网格无关性验证。具体的验证方法如下：计算域的全局网格尺寸(Global element seed size)，给出两种以上设置形式，污水进出口处和壁面处的网格需要局部加密，定义三种以上网格的最大尺寸(Maximumsize of fibers)，并检查和调整网格参数使模型整体网格质量达到0.25以上（即最低网格质量要高于0.25），从而选择计算精度高且计算资源消耗少的网格数。
S2、建立沉积模型
基于颗粒污垢的四种沉积机制（布朗和涡旋扩散沉积、重力沉积、湍流沉积以及热泳沉积），利用ANSYS-Fluent中软件的UDF函数计算颗粒污垢沉积率。
结合图2，下面对四种沉积机制进行详细说明：
（1）颗粒污垢的布朗和涡旋扩散沉积是指颗粒在布朗扩散和涡旋扩散作用下运动到壁面上所导致的沉积，本发明中，基于布朗和涡旋扩散沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 943557DEST_PATH_IMAGE051
（1）
Figure 886106DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 324040DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 744657DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，
Figure 545123DEST_PATH_IMAGE052
为布朗和涡旋扩散沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 392993DEST_PATH_IMAGE006
为壁面剪切应力，单位为Pa；
Figure 318224DEST_PATH_IMAGE007
为污水密度，单位为kg/m3；
Figure 73690DEST_PATH_IMAGE008
为主流区颗粒浓度，单位为kg/m3；
Figure 400767DEST_PATH_IMAGE010
为污水运动粘度，单位为m/s2，
Figure 685117DEST_PATH_IMAGE053
为布朗扩散系数，
Figure 97644DEST_PATH_IMAGE012
为湍流扩散系数，
Figure 125643DEST_PATH_IMAGE014
是对壁面法向上的坐标进行无量纲化处理的结果；u*为摩擦速度，单位为m/s；
Figure 307226DEST_PATH_IMAGE054
为颗粒直径，单位为m，200是假设的主流区域至壁面处法向上的无量纲距离，具体应用中结合实际场景进行调整。
（2）重力沉积是指颗粒在重力作用下产生的沉积，基于重力沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 762478DEST_PATH_IMAGE016
（5）
Figure 193459DEST_PATH_IMAGE017
（6）
其中，
Figure 759570DEST_PATH_IMAGE055
为重力沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 795659DEST_PATH_IMAGE056
为颗粒的弛豫时间，单位为s；g为重力加速度，单位为m/s2；
Figure 421812DEST_PATH_IMAGE057
为颗粒密度，单位为kg/m3；
Figure 136827DEST_PATH_IMAGE058
为污水动力粘度，单位为kg/(m·s)。
（3）湍流沉积是指颗粒在湍流涡旋现象下导致的沉积，基于湍流沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 241050DEST_PATH_IMAGE022
（7）
其中，
Figure 397224DEST_PATH_IMAGE059
为湍流沉积率，单位为kg/(m2•s)；其余参数含义同上。
（4）热泳沉积是指温差引起的热泳力使得颗粒从温度高的地方运动到温度低的地方所导致的沉积，基于热泳沉积率的计算公式为：
Figure 459858DEST_PATH_IMAGE024
（8）
其中，
Figure 68694DEST_PATH_IMAGE060
为热泳沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 242187DEST_PATH_IMAGE061
为热泳扩散系数；T为温度，单位为K；
Figure 784026DEST_PATH_IMAGE062
为壁面法向上的温度梯度。
最后，综合上述四种沉积机制，得到颗粒污垢总沉积率为：
Figure 751982DEST_PATH_IMAGE063
（9）。
S3、建立剥离模型
基于经验公式计算颗粒污垢剥离率，具体地，颗粒污垢剥离率计算公式为：
Figure 848114DEST_PATH_IMAGE029
（10）
其中，
Figure 622035DEST_PATH_IMAGE030
为颗粒污垢剥离率，K为剥蚀常数；
Figure 752802DEST_PATH_IMAGE064
为污垢层的强度因子；
Figure 891660DEST_PATH_IMAGE065
为污垢层厚度。
S4、建立污垢热阻模型
根据污垢净沉积量等于沉积量减剥离量，计算得到污垢净沉积量，然后基于污垢热阻公式计算颗粒污垢热阻。
具体地，污垢净沉积量等于沉积量减剥离量，计算公式为：
Figure 6246DEST_PATH_IMAGE034
(11)
污垢热阻计算公式为：
Figure 255962DEST_PATH_IMAGE039
（12）
其中，
Figure 241235DEST_PATH_IMAGE035
为颗粒污垢净沉积量，
Figure 816573DEST_PATH_IMAGE036
为颗粒污垢沉积量，
Figure 887297DEST_PATH_IMAGE038
为颗粒污垢剥离量，t为沉积时间；
Figure 940704DEST_PATH_IMAGE040
为污垢热阻，
Figure 311643DEST_PATH_IMAGE066
为污垢层密度，
Figure 792302DEST_PATH_IMAGE067
为污垢层导热率。
S5、数值模拟仿真
将步骤S1建立的网格模型导入Ansys-Fluent软件中，载入步骤S2编写的UDF，设置数值模拟计算边界条件，选择湍流、多相流、能量模型，进行流场分析计算，得到所需条件下的颗粒污垢沉积率，将模拟数据保存到用户自定义储存UDM中并导出。
在仿真过程中，采用不可压缩流体的连续性方程和纳维-斯托克斯(N-S)方程以及能量守恒方程进行控制，控制方程如下：
连续性方程：
Figure 84744DEST_PATH_IMAGE044
（13）
动量方程：
Figure 269737DEST_PATH_IMAGE045
（14）
能量方程：
Figure 964024DEST_PATH_IMAGE046
（15）
式（13）~（15）中，
Figure 615585DEST_PATH_IMAGE047
为通式写法，当其写作l时代表污水，当其写作p时代表颗粒（i为下角标，由于污水和颗粒是两相，即液相和固相，都有着其各自的控制方程，但是他们的控制方程类似，为了书写简便，引入下角标i，当其为l时计算的是污水的控制方程，i为p时计算的是颗粒的控制方程），u为流速，p为压力，x为坐标，t为时间，
Figure 660901DEST_PATH_IMAGE048
为导热率，
Figure 587269DEST_PATH_IMAGE050
比热，T为温度，j为坐标系（三维模型有三个坐标方向，即常用的x、y、z，为了得到各个方向上的速度，需要求解三个方向上的动量方程，这三个方向的动量方程写法上一样，为了简便，用j表示）。
同时，入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，壁面采用无滑移恒壁温边界条件；当连续性方程的残差小于10-3且动量方程和能量方程的残差小于10-6时，认为结果收敛。
S6、数据处理
将数值模拟后输出的数据进行处理，将前述步骤计算出来的沉积率乘以时间，得到单位面积上的沉积质量，再计算颗粒污垢剥离率，最后预测出任意时刻下的颗粒污垢热阻。
S7、模型验证
为了提高模型可靠性，本发明中还结合实验数据验证颗粒污垢模型的准确性。以徐志明等所做的实验数据（徐志明, 张敏霞, 张一龙, 2015年42（6）期，化工机械828-834页，微米颗粒污垢特性的数值模拟[J]）为参照，利用本发明的污垢模型进行模拟，将模拟值与实验值进行对比。
实际模拟过程中，本实施例所采用的试验段为一直径为22mm、长度为1500mm的水平圆管，网格划分时对壁面处和入口处的网格进行了局部加密。试验过程中，含有200mg/L氧化镁颗粒的污水以0.2m/s的流速流入圆管，经恒壁温管道加热后从出口流出，在此期间，氧化镁颗粒在各种力的综合作用下沉积到管壁，形成颗粒污垢。
流体入口温度为30℃，恒壁温管壁温度为50℃。模拟时设置入口边界为速度入口，对应的入口速度
Figure 136062DEST_PATH_IMAGE068
=0.2m/s，
Figure 224104DEST_PATH_IMAGE069
=0，入口温度
Figure 756716DEST_PATH_IMAGE070
=30℃；出口边界为压力出口，假设出口处各方向上速度梯度和温度梯度均为0，对应的数学模型为
Figure 690037DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 358916DEST_PATH_IMAGE072
；壁面边界为无滑移边界条件，且壁温为恒壁温，壁面温度
Figure 945755DEST_PATH_IMAGE073
=50℃；模拟时间步长设置为0.001s，当连续性方程的残差小于10-3且动量方程和能量方程的残差小于10-6时，认为结果收敛。
本实施例的模拟值与现有技术中的实验值对比结果见图3。由图可见，模拟值与实验值（深色曲线）误差很小，验证了模型的准确性。
在得到了准确的模型后，即可采用本发明的上述方法，据实际情况建立网格模型，编写UDF，设置相应的边界条件和模拟参数，预测不同工况下任意时刻换热面上的污垢热阻值。
综上，本发明的基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，将颗粒污垢的沉积机制分为布朗扩散和涡旋扩散沉积、重力沉积、湍流沉积以及热泳沉积四种，并基于这四种沉积机制建立了颗粒污垢沉积模型，利用经验公式建立了颗粒污垢剥离模型，再利用污垢热阻公式建立了颗粒污垢热阻模型，利用此方法可以预测不同工况下任意时刻换热面上的污垢热阻值。该方法基于欧拉法利用ANSYS-Fluent中的用户自定义函数（UDF），实现了换热设备内颗粒污垢热阻的预测，方便研究颗粒污垢在不同换热工况下的生长情况，同时为换热系统的设计和优化提供指导。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立网格模型
根据换热面形状及尺寸，利用ICEM软件建立换热面物理模型并划分六面体网格，进行网格无关化验证，保证最低网格质量高于0.25，即六面体网格中每一个六面体的雅可比值都大于0.25；
S2、建立沉积模型
基于颗粒污垢的四种沉积机制，利用ANSYS-Fluent中软件的UDF函数计算颗粒污垢沉积率；
S3、建立剥离模型
基于经验公式计算颗粒污垢剥离率；
S4、建立污垢热阻模型
计算得到污垢净沉积量，基于污垢热阻公式计算颗粒污垢热阻；
S5、数值模拟仿真
将步骤S1建立的网格模型导入Ansys-Fluent软件中，载入步骤S2编写的UDF，设置数值模拟计算边界条件，选择湍流、多相流、能量模型，进行流场分析计算，得到所需条件下的颗粒污垢沉积率，将模拟数据保存到用户自定义储存UDM中并导出；
S6、数据处理
数值模拟后输出的数据通过步骤S5建立的数值模拟仿真模型进行处理，依次得到颗粒沉积率、颗粒污垢剥离率、沉积质量、及颗粒污垢热阻；
S7、模型验证
利用实验数据验证颗粒污垢模型的准确性。
2.一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述步骤S2中，四种沉积机制为：布朗和涡旋扩散沉积、重力沉积、湍流沉积以及热泳沉积。
3.根据权利要求2所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述基于布朗和涡旋扩散沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 716534DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 961570DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 741308DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 136517DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，
Figure 482047DEST_PATH_IMAGE005
为布朗和涡旋扩散沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 304510DEST_PATH_IMAGE006
为壁面剪切应力，单位为Pa；
Figure 571543DEST_PATH_IMAGE007
为污水密度，单位为kg/m3；
Figure 36023DEST_PATH_IMAGE008
为主流区颗粒浓度，单位为kg/m3；
Figure 704901DEST_PATH_IMAGE009
为污水运动粘度，单位为m/s2，
Figure 698265DEST_PATH_IMAGE010
为布朗扩散系数，
Figure 452595DEST_PATH_IMAGE011
为湍流扩散系数，
Figure 720765DEST_PATH_IMAGE012
是对壁面法向上的坐标进行无量纲化处理的结果；u*为摩擦速度，单位为m/s；
Figure 244150DEST_PATH_IMAGE013
为颗粒直径，单位为m，200是假设的主流区域至壁面处法向上的无量纲距离；
所述基于重力沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 673994DEST_PATH_IMAGE014
（5）
Figure 243516DEST_PATH_IMAGE015
（6）
其中，
Figure 518640DEST_PATH_IMAGE016
为重力沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 162111DEST_PATH_IMAGE017
为颗粒的弛豫时间，单位为s；g为重力加速度，单位为m/s2；
Figure 762856DEST_PATH_IMAGE018
为颗粒密度，单位为kg/m3；
Figure 491778DEST_PATH_IMAGE019
为污水动力粘度，单位为kg/(m·s)；
所述基于湍流沉积机制的沉积率计算公式为：
Figure 570592DEST_PATH_IMAGE020
（7）
其中，
Figure 68570DEST_PATH_IMAGE021
为湍流沉积率，单位为kg/(m2•s)；其余参数含义同上；
所述基于热泳沉积率的计算公式为：
Figure 371375DEST_PATH_IMAGE022
（8）
其中，
Figure 322013DEST_PATH_IMAGE023
为热泳沉积率，单位为kg/(m2•s)；
Figure 204519DEST_PATH_IMAGE024
为热泳扩散系数；T为温度，单位为K；
Figure 884899DEST_PATH_IMAGE025
为壁面法向上的温度梯度；
综合上述四种沉积机制，颗粒污垢总沉积率为：
Figure 827447DEST_PATH_IMAGE026
（9）。
4.根据权利要求3所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测换热面上颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述步骤S3中，颗粒污垢剥离率计算公式为：
Figure 265382DEST_PATH_IMAGE027
（10）
其中，
Figure 217157DEST_PATH_IMAGE028
为颗粒污垢剥离率，K为剥蚀常数；
Figure 689727DEST_PATH_IMAGE029
为污垢层的强度因子；
Figure 803176DEST_PATH_IMAGE030
为污垢层厚度。
5.根据权利要求4所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测换热面上颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述步骤S4中，污垢净沉积量等于沉积量减剥离量，计算公式为：
Figure 728407DEST_PATH_IMAGE031
(11)
其中，
Figure 218294DEST_PATH_IMAGE032
为颗粒污垢净沉积量，
Figure 279791DEST_PATH_IMAGE033
为颗粒污垢沉积量，
Figure 564142DEST_PATH_IMAGE034
为颗粒污垢剥离量，t为沉积时间；
污垢热阻计算公式为：
Figure 507827DEST_PATH_IMAGE035
（12）
其中，
Figure 535826DEST_PATH_IMAGE036
为污垢热阻，
Figure 717409DEST_PATH_IMAGE037
为污垢层密度，
Figure 234978DEST_PATH_IMAGE038
为污垢层导热率。
6.根据权利要求5所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测换热面上颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述步骤S5中，将网格模型导入Ansys-Fluent软件中进行流场分析计算，并载入UDF，选择湍流、多相流、能量模型，采用不可压缩流体的连续性方程和纳维－斯托克斯(N-S)方程以及能量守恒方程进行控制，控制方程如下：
连续性方程：
Figure 134800DEST_PATH_IMAGE039
（13）
动量方程：
Figure 700911DEST_PATH_IMAGE040
（14）
能量方程：
Figure 2579DEST_PATH_IMAGE041
（15）
式（13）~（15）中，下标
Figure 894312DEST_PATH_IMAGE042
是污水和颗粒的通式写法，当其为l时代表污水，当其为p时代表颗粒，u为流速，p为压力，x为坐标，t为时间，
Figure 281431DEST_PATH_IMAGE043
为导热率，
Figure 651232DEST_PATH_IMAGE044
为比热，T为温度，j为坐标系；
同时，入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，壁面采用无滑移恒壁温边界条件；当连续性方程的残差小于10-3且动量方程和能量方程的残差小于10-6时，认为结果收敛。
7.根据权利要求6所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测换热面上颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述步骤S6中，将数值模拟后输出的数据进行处理，将沉积率乘以时间得到单位面积上颗粒污垢沉积质量，利用经验公式计算颗粒污垢剥离率，再通过污垢热阻公式计算任意时刻下的颗粒污垢热阻。
8.根据权利要求7所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测换热面上颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述步骤S7中，通过对圆管中氧化镁颗粒污垢的生长过程进行了模拟，将模拟值与实验值进行对比，验证了模型的准确性。
9.根据权利要求8所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测换热面上颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，所述步骤S7中，采用直径为22mm、长度为1500mm的水平圆管作为试验段，200mg/L氧化镁颗粒的污水以0.2m/s的流速流入圆管，经恒壁温管道加热后从出口流出，在此期间，氧化镁颗粒在基于四种沉积机制沉积到管壁，形成颗粒污垢。
10.根据权利要求1~9任一项所述的一种基于数值模拟利用欧拉法预测换热面上颗粒污垢热阻的方法，其特征在于，还包括步骤S8、实际应用：根据实际情况建立网格模型，编写UDF，设置相应的边界条件和模拟参数，从而预测不同工况下任意时刻换热面上的污垢热阻值。
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