CN112836387A - 一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法 - Google Patents

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陈佩雨
卢丞一
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Abstract

本发明公开了一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法，该方法通过切片法将整个冷凝管道划分成N个尽可能小的控制单元进行计算。第一个控制体的入口条件等于初始条件。在每个控制单元i中，所有热物性参数均设为恒定常数，按照当前的温度及压强在NIST物性参数数据库中自动查找。之后通过查找到的干度x，进行当前控制单元所处位置的判断，进而选择不同的计算模型：single‑phase或者two‑phase。以上两种模型均采用与自己工况相同时的经验关联式，包括单相及两相情况下的压降及换热关联式。按照计算结果对当前控制体出口结果进行更新。最后，将当前控制体出口结果当作下一个控制体的入口条件，依次进行迭代，直至完成所有控制体的计算。该方法对于水下航行器壳体冷凝器的结构设计提供了一定的参考，同时大大降低了研发成本。

Description

一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法
技术领域
本发明涉及一种冷凝器的设计方法，更具体的说，是涉及一种基于切片法的水下航行器壳体冷凝器的设计方法。
背景技术
闭式循环热动力系统由于不向外做任何排放，隐蔽性好，不受背压影响，从而得到水下航行器研究者的青睐。由于该动力系统不向外做任何排放，做工后的乏汽需经冷凝装置冷却成为液态后才能维持循环的继续。因此，冷凝器是闭式循环热动力系统的重要组件。
由于水下航行器特殊的运行环境，其结构尺寸及载荷强度均是重要的设计指标且受到严格限制。为了节省能量同时降低载荷，壳体冷凝器通常与水下航行器的外壳做成一体的，冷凝通道则是布置在外壳体内部的一排排平行通道，壳体外侧的海水被当作冷源。
冷凝过程牵涉到相变二次流等问题，本身机理较为复杂。传统冷凝器设计方法参数修改性差，设计成本较高，且设计周期较长。如何针对水下航行器壳体冷凝器的特殊结构，设计出一套灵活、通用性强、可封装的设计方法，仅通过修改设计要求便可以得到各尺寸参数，尽可能地降低设计成本及时间，成了未来研究方向的重点。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中所提到的问题，提供了一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法，该方法通过切片法将整个冷凝管道划分成N个尽可能小的控制单元进行计算。第一个控制体的入口条件等于初始条件。在每个控制单元i中，所有热物性参数均设为恒定常数，按照当前的温度及压强在NIST物性参数数据库中自动查找。之后通过查找到的干度x，进行当前控制单元所处位置的判断，进而选择不同的计算模型：single-phase或者two-phase。以上两种模型均采用与自己工况相同时的经验关联式，包括单相及两相情况下的压降及换热关联式。按照计算结果对当前控制体出口结果进行更新。最后，将当前控制体出口结果当作下一个控制体的入口条件，依次进行迭代，直至完成所有控制体的计算。该方法对于水下航行器壳体冷凝器的结构设计提供了一定的参考，同时大大降低了研发成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法，具体实施包括步骤：
步骤1：将冷凝管道划分成N个小的控制单元；
步骤2：每个控制单元中工作介质的热物性通过当前温度及压强在NIST中进行查找；
步骤3：依据步骤2在NIST中所得到的干度x为指标，判断当前控制体适用于single-phase计算模型还是two-phase计算模型，计算出流过该控制体后工质的压降⊿P及散热量⊿h；
步骤4：更新流过当前控制体后，工质的温度T和压强P；
步骤5：判断所有控制体是否全部计算结束，若已完成，则保存数据，结束计算；否则，转去步骤2继续计算。
进一步地，所述步骤1中，控制单元要尽可能的小，即N尽可能的大。
进一步地，所述步骤2中，第一个控制单元的入口条件等于初始条件，即Tinitial，in＝T0，Pinitial，in＝P0；同一个控制单元中的热物性参数保持恒定。
进一步地，所述步骤3中，以干度x为指标判断控制体所处的冷凝位置，其中x＝1时，表示该控制体中全部为气体，x＝0时表示该控制体中全部为液体，以上两种情况均代表控制体中只存在一种形态的工质，即可采用single-phase计算模型；当0<x<1时，表示当前控制体中既有气体又有液体，这代表控制体中存在两种形态的工质，因此要采用two-phase计算模型。
进一步地，所述步骤3中，数学计算模型是传统经验公式，其中包括压降及换热模型。整个冷凝过程中，存在相变及两相流问题，经验关联式要针对单相和两相状态分别进行挑选，从而形成single-phase计算模型和two-phase计算模型；由于经验关联式的获取均是基于当前实验数据，因此选用时要按照自己的工况进行严格筛选。
进一步地，所述步骤4中，更新方式为该控制体入口的温度Ti,in及压强Pi,in分别减去流经该控制体后的温降及压降，即：Ti,out＝Ti,in-⊿T,Pi,out＝Pi,in-⊿P。
进一步地，所述步骤5中，转去步骤2之前，需要将上一个控制体的计算结果赋值给下一个控制体作为入口条件，即pi+1,inlet＝pi,outlet。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明公开了一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法，该方法通过切片法将整个冷凝管道划分成N个尽可能小的控制单元进行计算。第一个控制体的入口条件等于初始条件。在每个控制单元i中，所有热物性参数均设为恒定常数，按照当前的温度及压强在NIST物性参数数据库中自动查找。之后通过查找到的干度x，进行当前控制单元所处位置的判断，进而选择不同的计算模型：single-phase或者two-phase。以上两种模型均采用与自己工况相同时的经验关联式，包括单相及两相情况下的压降及换热关联式。按照计算结果对当前控制体出口结果进行更新。最后，将当前控制体出口结果当作下一个控制体的入口条件，依次进行迭代，直至完成所有控制体的计算。该方法通过将程序封装，操作简便快捷，通用性强，并且大大降低了研发成本，对于水下航行器壳体冷凝器的工程设计应用提供了一定的技术支持。
附图说明
为更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法示意图，具体步骤如下：
步骤1：将冷凝管道划分成N个小的控制单元；
步骤2：每个控制单元中工作介质的热物性通过当前温度及压强在NIST中进行查找；
步骤3：依据步骤2在NIST中所得到的干度x为指标，判断当前控制体适用于single-phase计算模型还是two-phase计算模型，计算出流过该控制体后工质的压降⊿P及散热量⊿h；
步骤4：更新流过当前控制体后，工质的温度T和压强P；
步骤5：判断所有控制体是否全部计算结束，若已完成，则保存数据，结束计算；否则，转去步骤2继续计算。
在步骤1中，控制单元要尽可能的小，即N尽可能的大。
在步骤2中，第一个控制单元的入口条件等于初始条件，即Tinitial，in＝T0，Pinitial，in＝P0；同一个控制单元中的热物性参数保持恒定。
在步骤3中，以干度x为指标判断控制体所处的冷凝位置，其中x＝1时，表示该控制体中全部为气体，x＝0时表示该控制体中全部为液体，以上两种情况均代表控制体中只存在一种形态的工质，即可采用single-phase计算模型；当0<x<1时，表示当前控制体中既有气体又有液体，这代表控制体中存在两种形态的工质，因此要采用two-phase计算模型。
在步骤3中，数学计算模型是传统经验公式，其中包括压降及换热模型；整个冷凝过程中，存在相变及两相流问题，经验关联式要针对单相和两相状态分别进行挑选，从而形成single-phase计算模型和two-phase计算模型；由于经验关联式的获取均是基于当前实验数据，因此选用时要按照自己的工况进行严格筛选。
在步骤4中，更新方式为该控制体入口的温度Ti,in及压强Pi,in分别减去流经该控制体后的温降及压降，即：Ti,out＝Ti,in-⊿T，Pi,out＝Pi,in-⊿P。
在步骤5中，转去步骤2之前，需要将上一个控制体的计算结果赋值给下一个控制体作为入口条件，即pi+1,inlet＝pi,outlet。

Claims (7)

1.一种水下航行器壳体冷凝器的设计方法，其特征在于，包括：
步骤1：将冷凝管道划分成N个小的控制单元；
步骤2：每个控制单元中工作介质的热物性通过当前温度及压强在NIST中进行查找；
步骤3：依据步骤2在NIST中所得到的干度x为指标，判断当前控制体适用于single-phase计算模型还是two-phase计算模型，计算出流过该控制体后工质的压降⊿P及散热量⊿h；
步骤4：更新流过当前控制体后，工质的温度T和压强P；
步骤5：判断所有控制体是否全部计算结束，若已完成，则保存数据，结束计算；否则，转去步骤2继续计算。
2.根据权利要求1所述的水下航行器壳体冷凝器的设计方法，其特征在于，所述步骤1中，控制单元要尽可能的小，即N尽可能的大。
3.据权利要求1所述的水下航行器壳体冷凝器的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，第一个控制单元的入口条件等于初始条件，即Tinitial，in＝T0，Pinitial，in＝P0；同一个控制单元中的热物性参数保持恒定。
4.根据权利要求1所述的水下航行器壳体冷凝器的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，以干度x为指标判断控制体所处的冷凝位置，其中x＝1时，表示该控制体中全部为气体，x＝0时表示该控制体中全部为液体，以上两种情况均代表控制体中只存在一种形态的工质，即可采用single-phase计算模型；当0<x<1时，表示当前控制体中既有气体又有液体，这代表控制体中存在两种形态的工质，因此要采用two-phase计算模型。
5.根据权利要求1所述的水下航行器壳体冷凝器的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，数学计算模型是传统经验公式，其中包括压降及换热模型；整个冷凝过程中，存在相变及两相流问题，经验关联式要针对单相和两相状态分别进行挑选，从而形成single-phase计算模型和two-phase计算模型；由于经验关联式的获取均是基于当前实验数据，因此选用时要按照自己的工况进行严格筛选。
6.根据权利要求1所述的水下航行器壳体冷凝器的设计方法，其特征在于，所述步骤4中，更新方式为该控制体入口的温度Ti,in及压强Pi,in分别减去流经该控制体后的温降及压降，即：Ti,out＝Ti,in-⊿T,Pi,out＝Pi,in-⊿P。
7.根据权利要求1所述的水下航行器壳体冷凝器的设计方法，其特征在于，所述步骤5中，转去步骤2之前，需要将上一个控制体的计算结果赋值给下一个控制体作为入口条件，即pi+1,inlet＝pi,outlet。
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