CN114239429B - 船舶冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法 - Google Patents

船舶冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供船舶冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法，包括如下步骤：将多结构冷凝器管侧分解为仅具有单进口、单出口特点的子单元，设定多结构冷凝器壳侧各工质在入口和出口处的流量焓值的初始值，求出第n个单元对应的管侧工质出口焓值以及管内平均速度和温度，离散冷凝器各单元的质量、动量、空气组分及温度传输方程，并生成系数矩阵，数值求解冷凝器各单元通道的系数矩阵，获得各单元us、Ts和Y值，求解Gsc，Gac和Hsc，判断冷凝器各单元出口处的Gsc，Gac和Hsc与上一步计算值或初始值的最大偏差是否小于收敛值，根据收敛情况输出结果。本发明可将船舶冷凝器复杂结构离散化为一系列仅具有单入口、出口结构的管壳式冷凝器子单元。

Description

船舶冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法
技术领域
本发明涉及的是一种船舶模拟方法，具体地说是船舶二回路冷凝器模拟方法。
背景技术
目前已有的冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法主要采用结构网格划分方式，数值计算方法采用基于有限差分法或有限体积法的二维计算流体力学模型，将复杂壳侧结构简化为多孔介质，采用质量源项描述冷凝过程，采用阻力源项修正复杂管结构对流动的影响，计算数据后处理采用文本导出方式。该方法对冷凝器边界条件往往采用定温、定热流或绝热边界条件，仅能计算简单结构的管壳、表面式冷凝器壳侧热力性能，网格前处理方法简单，后处理模块缺失，难以满足对船舶二回路系统多结构冷凝器的管束布置及壳侧流场进行精确、快速的热力性能模拟要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于流路质量、能量流分解和二维数值模拟方法相结合的船舶冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明船舶冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法，其特征是：
(1)将多结构冷凝器管侧按照工质流动关系，分解为仅具有单进口、单出口特点的子单元，第n号子单元入口、出口变量包括循环水质量流量Gwr，n/Gwc，n和热流量Hwr，n/Hwc，n，其中下标r表示入口，下标c表示出口，n表示单元编号；
(2)设定多结构冷凝器壳侧各工质在入口和出口处的流量Gsr,n/Gsc,n和Hsn焓值的初始值；
(3)根据管、壳间换热能量守恒原则，第n个单元的管壳式换热器满足以下关系：
Gwr,nHwr,n–Gwc,nHwc,n＝(Gsr-Gsc)nHsn
求出第n个单元对应的管侧工质出口焓值，以及管内平均速度uw和温度Tw，各子单元管侧之间按照工质流动流程具有串联、并联或独立的关系，当子单元1和子单元2具有串联关系时，两者间的变量满足：
Gwc,1＝Gwr,2；Hwc,1＝Hwr,2
当子单元1和子单元2具有并联关系时，各自入口、出口关系独立，但两者流量分配满足压降相等原则，即
△P1＝△P2
且与各自上游、下游单元具有对应的流量关系，其Gw和Hw可依据质量守恒和能量守恒原理确定；
为冷凝器壳侧每个单元通道划分二维计算网格，根据壳侧蒸汽质量流量Gs、空气质量流量Ga、热流量Hs值、壁面边界及管侧传热特性设定各单元内部网格的us、Ts、空气质量分数Y变量初始值及边界条件；
(4)基于网格、边界条件和us/Ts/Y初始值信息，采用数值方法离散冷凝器各单元的质量、动量、空气组分及温度传输方程，并生成系数矩阵；其中，有限元离散方法采用大数法，对流项采用P1格式离散，扩散项采用中心节点法的P2格式离散，并采用SUPG方法考虑对流项占优数学问题；
(5)数值求解冷凝器各单元通道的系数矩阵，获得各单元us、Ts和Y值，并根据出口处的us、Ts、Y值求解Gsc，Gac和Hsc；
(6)判断冷凝器各单元出口处的Gsc，Gac和Hsc与上一步计算值或初始值的最大偏差是否小于收敛值；
(7)如果步骤(6)不收敛，则将第(6)步获得的冷凝器各单元的Gsc，Gac和Hsc作为已知量，重复步骤(3)-(6)，直至收敛；
(8)如果步骤(6)收敛，则输出结果。
本发明的优势在于：本发明可将船舶冷凝器复杂结构离散化为一系列仅具有单入口、出口结构的管壳式冷凝器子单元，并根据工质流动的串、并联关系及压降(来自CFD计算结果)确定冷凝器各单元的CFD边界条件；采用迭代的方法取得最终收敛结果，通过各部件之间的关系确定各单元传热部件的边界条件，进而对各单元部件采用CFD方法求出数值解，再根据数值解更新各部件的质量流和能量流，进而更新各部件的CFD边界条件。重复上述步骤即可获得船舶多结构冷凝器参数设计及CFD计算方法。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2多结构冷凝器管侧子单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
针对船舶二回路系统冷凝器结构紧凑、高度集成布置的设计需求，多介质套管式集成冷凝器被广泛发展应用，现有的管壳、表面式冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法无法满足套管式集成冷凝器壳侧多种介质真实的流动和换热过程的模拟分析。
现有的冷凝器壳侧热力性能的数值模型方法多对壳体结构采用简单的网格划分方法，对于壁面传热特性采用绝热边界或定热流边界条件进行简化，边界条件取值精度差，导致数值计算方法精度有限。
结合图1-2，针对船舶二回路系统传统结构形式的冷凝器和多介质套管式结构的集成冷凝器，本发明提出一种基于流路质量、能量流分解和二维数值模拟方法相结合的数值仿真计算方法，程序流程如附图1所示，主要包括以下步骤：
(1)将多结构冷凝器管侧按照工质流动关系，分解为一系列仅具有单进口、单出口特点的子单元(附图2)，第n号子单元入口、出口变量包括循环水质量流量Gwr，n/Gwc，n和热流量Hwr，n/Hwc，n，其中，下标r表示入口，下标c表示出口，n表示单元编号。
(2)根据换热器需求，设定多结构冷凝器壳侧各工质在入口和出口处的流量Gsr,n/Gsc,n和Hsn焓值的初始值。
(3)根据管、壳间换热能量守恒原则，第n个单元的管壳式换热器满足以下关系：
Gwr,nHwr,n–Gwc,nHwc,n＝(Gsr-Gsc)nHsn
可求出第n个单元对应的管侧工质出口焓值，以及管内平均速度uw和温度Tw。各子单元管侧之间按照工质流动流程具有串联、并联或独立的关系，当子单元1和子单元2具有串联关系时，两者间的变量满足：
Gwc,1＝Gwr,2；Hwc,1＝Hwr,2
当子单元1和子单元2具有并联关系时，各自入口、出口关系独立。但两者流量分配满足压降相等原则，即
△P1＝△P2
且与各自上游、下游单元具有对应的流量关系，其Gw和Hw可依据质量守恒和能量守恒原理确定。
为冷凝器壳侧每个单元通道划分二维计算网格，根据壳侧蒸汽质量流量Gs、空气质量流量Ga、热流量Hs值、壁面边界及管侧传热特性设定各单元内部网格的us、Ts、空气质量分数Y变量初始值及边界条件。
(4)基于网格、边界条件和us/Ts/Y初始值信息，采用数值方法离散冷凝器各单元的质量、动量、空气组分及温度传输方程，并生成系数矩阵；其中，有限元离散方法采用大数法，对流项采用P1格式离散，扩散项采用中心节点法的P2格式离散，并采用SUPG方法考虑对流项占优数学问题；
(5)数值求解冷凝器各单元通道的系数矩阵，获得各单元us、Ts和Y值，并根据出口处的us、Ts、Y值求解Gsc，Gac和Hsc；
(6)判断冷凝器各单元出口处的Gsc，Gac和Hsc与上一步计算值(或初始值)的最大偏差是否小于收敛值；
(7)如果步骤(6)不收敛，则将第(6)步获得的冷凝器各单元的Gsc，Gac和Hsc作为已知量，重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)，直至收敛；
(8)如果步骤(6)收敛，则打印计算结果。

Claims (1)

1.船舶冷凝器壳侧热力性能数值模拟方法，其特征是：
(1)将多结构冷凝器管侧按照工质流动关系，分解为仅具有单进口、单出口特点的子单元，第n号子单元入口、出口变量包括循环水质量流量Gwr，n/Gwc，n和热流量Hwr，n/Hwc，n，其中下标r表示入口，下标c表示出口，n表示单元编号；
(2)设定多结构冷凝器壳侧各工质在入口和出口处的流量Gsr,n/Gsc,n和Hsn焓值的初始值；
(3)根据管、壳间换热能量守恒原则，第n个单元的管壳式换热器满足以下关系：
Gwr,nHwr,n–Gwc,nHwc,n＝(Gsr-Gsc)nHsn
求出第n个单元对应的管侧工质出口焓值，以及管内平均速度uw和温度Tw，各子单元管侧之间按照工质流动流程具有串联、并联或独立的关系，当子单元1和子单元2具有串联关系时，两者间的变量满足：
Gwc,1＝Gwr,2；Hwc,1＝Hwr,2
当子单元1和子单元2具有并联关系时，各自入口、出口关系独立，但两者流量分配满足压降相等原则，即
△P1＝△P2
且与各自上游、下游单元具有对应的流量关系，其Gw和Hw可依据质量守恒和能量守恒原理确定；
为冷凝器壳侧每个单元通道划分二维计算网格，根据壳侧蒸汽质量流量Gs、空气质量流量Ga、热流量Hs值、壁面边界及管侧传热特性设定各单元内部网格的us、Ts、空气质量分数Y变量初始值及边界条件；
(4)基于网格、边界条件和us/Ts/Y初始值信息，采用数值方法离散冷凝器各单元的质量、动量、空气组分及温度传输方程，并生成系数矩阵；其中，有限元离散方法采用大数法，对流项采用P1格式离散，扩散项采用中心节点法的P2格式离散，并采用SUPG方法考虑对流项占优数学问题；
(5)数值求解冷凝器各单元通道的系数矩阵，获得各单元us、Ts和Y值，并根据出口处的us、Ts、Y值求解Gsc，Gac和Hsc；
(6)判断冷凝器各单元出口处的Gsc，Gac和Hsc与上一步计算值或初始值的最大偏差是否小于收敛值；
(7)如果步骤(6)不收敛，则将第(6)步获得的冷凝器各单元的Gsc，Gac和Hsc作为已知量，重复步骤(3)-(6)，直至收敛；
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