CN116502426A - 基于凝固融化过程结霜模拟方法、装置、终端和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于凝固融化过程结霜模拟方法、装置、终端和介质，通过本发明提供的模拟方法考虑了凝固融化现象在长时间的结霜过程中产生的影响，通过计算霜层的融化速度、霜层的凝固速度及霜层的平均厚度，模拟结霜状态。
Description
技术领域
本发明涉及结霜模拟运算技术领域，具体涉及一种基于凝固融化过程结霜模拟方法、装置、终端和介质。
背景技术
结霜现象普遍存在于制冷、低温、空调调节、航天航空、化工机械等领域。当湿空气流经温度比其露点温度低的表面时，会发生水蒸气在冷表面上凝结的现象，若冷表面的温度低于冰点温度，结霜现象就会发生。霜层的存在，不仅会堵塞流通通道，而且还会增加换热热阻，长时间甚至会损坏设备。
在霜层生长过程中，霜枝除了会出现断裂破碎以及倒伏的现象外，还会伴随发生凝固融化现象。尤其是在长时间的实际结霜工况下，当霜层的温度高于融化点时，霜层会出现融化现象；而当温度低于融化点时，凝化水再次凝固。但在过去的研究方法中，普遍忽视了霜层表面的凝固融化对结霜的影响。
日常生活中，冰箱在长时间的运行时会因外在因素引起的温度变化而出现频繁的凝固融化现象，产生的功耗远大于正常制冷时的功耗，此时会影响冰箱的保鲜效果。由此，研究在长时间的结霜条件下，随着环境工况的变化，霜层出现凝固融化现象对霜层生长的影响已成为重要课题。
发明内容
因此，本发明提供一种基于凝固融化过程结霜模拟方法、装置、电子设备和介质，以解决在长时间的结霜条件下，随着环境工况的变化，霜层出现凝固融化现象对霜层生长判断准确度有限的问题，提高结霜判断的准确性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种基于凝固融化过程结霜模拟方法，包括：
步骤1：利用电脑软件建立冷表面物理模型；
步骤2：建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量，同时初始化满足精度网格的流场参数；
步骤3：当当前满足精度网格的霜层温度高于融化点时，计算当前满足精度网格的霜层的融化速度；
步骤4：当融化水的温度低于凝固点时，计算当前满足精度网格的液态水凝固速度；
步骤5：基于霜层的总体积、冷表面的面积，生成当前满足精度网格的霜层的平均厚度；
步骤6：当满足预设条件时，根据霜层的融化速度、液态水凝固速度及霜层的平均厚度，确定当前满足精度网格凝固融化过程中的结霜状态，所述预设条件为大于预设时间步长；
步骤7：初始化下一满足精度网格的流场参数，转入步骤3，循环计算所有满足精度的网格，确定凝固融化过程中的结霜状态。
可选地，所述建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量的步骤，包括：
建立目标计算域网格；
采用四边形结构化网格对所述目标计算域网格进行划分，对划分的网格进行网格无关性验证；
通过自适应网格技术调整网格，同时分别划分不同预设数量的网格进行对比验证，得到满足模拟精度的网格数量。
可选地，当当前满足精度网格的霜层温度不高于融化点时，转入步骤5；当融化水的温度不低于凝固点时，转入步骤5。
可选地，在所述步骤6中，当不满足预设条件时，转入步骤3重新计算。
可选地，根据以下公式计算霜层融化速度：
其中，Ni为霜层中存在的冰颗粒数量，Vc为冰颗粒体积，αi为冰颗粒的冰相体积分数，为单位时间内单个冰颗粒的融化速度，hmel为融化潜热，hc为对流换热系数,T为冰颗粒周围的环境温度，r为冰颗粒半径。
可选地，根据以下公式计算液态水凝固速度：
其中，Tp为冷表面温度，hc为对流换热系数，λ为平均导热系数。
可选地，根据以下公式计算霜层的平均厚度：
Vf为霜层的总体积，Ap为冷表面的面积。
第二方面，本发明实施例提供一种基于凝固融化过程结霜模拟装置，包括：
模型建立模块，用于利用电脑软件建立冷表面物理模型；
初始化模块，用于建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量，同时初始化满足精度网格的流场参数；
第一计算模块，用于当当前满足精度网格的霜层温度高于融化点时，计算当前满足精度网格的霜层的融化速度；
第二计算模块，用于当融化水的温度低于凝固点时，计算当前满足精度网格的液态水凝固速度；
第三计算模块，用于基于霜层的总体积、冷表面的面积，生成当前满足精度网格的霜层的平均厚度；
第一确定模块，用于当满足预设条件时，根据霜层的融化速度、液态水凝固速度及霜层的平均厚度，确定当前满足精度网格凝固融化过程中的结霜状态，所述预设条件为大于预设时间步长；
第二确定模块，用于初始化下一满足精度网格的流场参数，转入第一计算模块，循环计算所有满足精度的网格，确定凝固融化过程中的结霜状态。
第三方面，本发明实施例提供一种终端，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行本发明实施例第一方面所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的基于凝固融化过程结霜模拟方法、装置、电子设备和介质，结霜模拟方法的误差较小，计算的霜层生长厚度与实际的霜层厚度更为接近，提高了计算精确度。
2.本发明是在水平冷表面上长时间的霜层生长过程进行预测的，可以准确的反应霜层在平板不同区域的结霜程度，有效地避免局部结霜过多而导致的制冷量下降以及换热器利用率不高的问题，从而可以更加高效地控制各项设备的性能指标，减少能耗，节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种基于凝固融化过程结霜模拟方法的一个具体示例的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于凝固融化过程结霜模拟装置的模块组成图；
图3为本发明实施例提供的一种终端一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供的一种基于凝固融化过程结霜模拟方法，尤其是在长时间的实际结霜工况下，霜层出现的凝固融化现象。如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1：利用电脑软件建立冷表面物理模型。
在本发明实施例中，利用ICEM软件建立冷表面物理模型，仅以此举例不以此为限，在实际应用中根据实际情况选择相应的电脑软件。
步骤S2：建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量，同时初始化满足精度网格的流场参数。
在本发明实施例中，在冷表面物理模型中建立目标计算域网格，采用四边形结构化网格对目标计算域网格进行划分，对划分的网格进行网格无关性验证，通过自适应网格技术调整网格，同时分别划分不同预设数量的网格，并对其进行对比验证，得到满足模拟精度的网格数量。预设数量在此不作限制，根据实际情况进行相应的选取。
在本发明实施例中，采用四边形结构化网格对目标计算域网格进行划分，方便与模型各边对齐，与模型更好的贴合，网格生成的速度快，质量好。
在本发明实施例中，网格精度是指网格越密，模拟的精度就越高。但同时也要考虑计算成本和时间成本。例如：当两个不同网格数量的计算结果差异不大时，意味着网格细化几乎可以被判定为合适了，模型已经收敛，数值结果没有发现显著变化，因此使用此时的网格点数。
步骤S3：当当前满足精度网格的霜层温度高于融化点时，计算当前满足精度网格的霜层的融化速度。
在本发明实施例中，当当前满足精度网格的霜层温度不高于融化点时，转入步骤5。
在本发明实施例中，假设冰颗粒的直径D＝10-5m,即半径r＝5×10-6m。经过一段时间冰颗粒逐渐融化，半径减小了dr。融化的冰颗粒体积、质量分别为：
Vc＝4πr2dr
m＝ρVc＝4πρr2dr
对流换热系数hc：
上式中λW为湿空气的平均热导率，αi，αw分别为冰颗粒和湿空气的冰相体积分数，Nu为努谢尔数，Di为冰颗粒直径。
努谢尔数Nu：
单位时间内单个冰颗粒的融化速度：
上式中，hmel为融化潜热，hc为对流换热系数,T为冰颗粒周围的环境温度。
对于某一体积的霜层，霜层中存在的冰颗粒数量为：其中，Vc为冰颗粒体积，αi为冰颗粒的冰相体积分数。
在本发明实施例中，根据以下公式计算霜层融化速度：
其中，Ni为霜层中存在的冰颗粒数量，Vc为冰颗粒体积，αi为冰颗粒的冰相体积分数，为单位时间内单个冰颗粒的融化速度，hmel为融化潜热，hc为对流换热系数,T为冰颗粒周围的环境温度，r为冰颗粒半径。
步骤S4：当融化水的温度低于凝固点时，计算当前满足精度网格的液态水凝固速度。
在本发明实施例中，当融化水的温度不低于凝固点时，转入步骤5。
在本发明实施例中，经重力作用及湿空气的曳力作用，融化水从霜层表面沉积进入霜层内部。由于霜层内部的温度一般低于273.15K，因此融化水再次凝固为冰，这提高了霜层的致密性。与冰颗粒融化模型的设置相同，融化水的直径为10-5m，且凝固过程较为缓慢，融化水的凝固体积和凝固质量与为Vc，m一致。
λ为湿空气、冰颗粒及融化水的平均热导率，即：λ＝λMαM+λiαi+λWαw，λM、λi、λW分别为湿空气、冰颗粒及融化水的热导率，αM、αi、αw分别为湿空气、冰颗粒及融化水的冰相体积分数。
在本发明实施例中，根据以下公式计算液态水凝固速度：
其中，Tp为冷表面温度，hc为对流换热系数，λ为平均导热系数。
步骤S5：基于霜层的总体积、冷表面的面积，生成当前满足精度网格的霜层的平均厚度。
在本发明实施例中，根据以下公式计算霜层的平均厚度：
Vf为霜层的总体积，Ap为冷表面的面积。
步骤6：当满足预设条件时，根据霜层的融化速度、液态水凝固速度及霜层的平均厚度，确定当前满足精度网格凝固融化过程中的结霜状态，所述预设条件为大于预设时间步长。
在本发明实施例中，在所述步骤6中，当不满足预设条件时，转入步骤3重新计算。
预设时间步长在此不作限制，根据实际情况进行相应的选取。
步骤7：初始化下一满足精度网格的流场参数，转入步骤3，循环计算所有满足精度的网格，确定凝固融化过程中的结霜状态。
本发明实施例中提供的基于凝固融化过程结霜模拟方法，通过本发明提供的结霜模拟方法的误差较小，计算的霜层生长厚度与实际的霜层厚度更为接近，大大提高了计算精确度。
实施例2
本发明实施例提供一种基于凝固融化过程结霜模拟装置，尤其是在长时间的实际结霜工况下，霜层出现的凝固融化现象。如图2所示，包括：
模型建立模块1，用于利用电脑软件建立冷表面物理模型；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。
初始化模块2，用于建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量，同时初始化满足精度网格的流场参数；此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。
第一计算模块3，用于当当前满足精度网格的霜层温度高于融化点时，计算当前满足精度网格的霜层的融化速度；此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。
第二计算模块4，用于当融化水的温度低于凝固点时，计算当前满足精度网格的液态水凝固速度；此模块执行实施例1中的步骤S4所描述的方法，在此不再赘述。
第三计算模块5，用于基于霜层的总体积、冷表面的面积，生成当前满足精度网格的霜层的平均厚度；此模块执行实施例1中的步骤S5所描述的方法，在此不再赘述。
第一确定模块6，用于当满足预设条件时，根据霜层的融化速度、液态水凝固速度及霜层的平均厚度，确定当前满足精度网格凝固融化过程中的结霜状态，所述预设条件为大于预设时间步长；此模块执行实施例1中的步骤S6所描述的方法，在此不再赘述。
第二确定模块7，用于初始化下一满足精度网格的流场参数，转入第一计算模块，循环计算所有满足精度的网格，确定凝固融化过程中的结霜状态；此模块执行实施例1中的步骤S7所描述的方法，在此不再赘述。
本发明实施例提供一种基于凝固融化过程结霜模拟装置，本发明提供的模拟装置误差较小，计算的霜层生长厚度与实际的霜层厚度更为接近，大大提高了计算精确度。
实施例3
本发明实施例提供一种终端，如图3所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Random Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1中的一种基于凝固融化过程结霜模拟方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1中的一种基于凝固融化过程结霜模拟方法。其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图3中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard disk drive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processingunit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的基于凝固融化过程结霜模拟方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1中的基于凝固融化过程结霜模拟方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard DiskDrive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于凝固融化过程结霜模拟方法，其特征在于，包括：
步骤1：利用电脑软件建立冷表面物理模型；
步骤2：建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量，同时初始化满足精度网格的流场参数；
步骤3：当当前满足精度网格的霜层温度高于融化点时，计算当前满足精度网格的霜层的融化速度；
步骤4：当融化水的温度低于凝固点时，计算当前满足精度网格的液态水凝固速度；
步骤5：基于霜层的总体积、冷表面的面积，生成当前满足精度网格的霜层的平均厚度；
步骤6：当满足预设条件时，根据霜层的融化速度、液态水凝固速度及霜层的平均厚度，确定当前满足精度网格凝固融化过程中的结霜状态，所述预设条件为大于预设时间步长；
步骤7：初始化下一满足精度网格的流场参数，转入步骤3，循环计算所有满足精度的网格，确定凝固融化过程中的结霜状态。
2.根据权利要求1所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法，其特征在于，所述建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量的步骤，包括：
建立目标计算域网格；
采用四边形结构化网格对所述目标计算域网格进行划分，对划分的网格进行网格无关性验证；
通过自适应网格技术调整网格，同时分别划分不同预设数量的网格进行对比验证，得到满足模拟精度的网格数量。
3.根据权利要求1所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法，其特征在于，当当前满足精度网格的霜层温度不高于融化点时，转入步骤5；当融化水的温度不低于凝固点时，转入步骤5。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法，其特征在于，在所述步骤6中，当不满足预设条件时，转入步骤3重新计算。
5.根据权利要求4任一所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法，其特征在于，根据以下公式计算霜层融化速度：
其中，Ni为霜层中存在的冰颗粒数量，Vc为冰颗粒体积，αi为冰颗粒的冰相体积分数，为单位时间内单个冰颗粒的融化速度，hmel为融化潜热，hc为对流换热系数,T为冰颗粒周围的环境温度，r为冰颗粒半径。
6.根据权利要求5任一所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法，其特征在于，根据以下公式计算液态水凝固速度：
其中，Tp为冷表面温度，hc为对流换热系数，λ为平均导热系数。
7.根据权利要求6任一所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法，其特征在于，根据以下公式计算霜层的平均厚度：
Vf为霜层的总体积，Ap为冷表面的面积。
8.一种基于凝固融化过程结霜模拟装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于利用电脑软件建立冷表面物理模型；
初始化模块，用于建立目标计算域网格，并对目标计算域网格进行网格划分，得到满足模拟精度的网格数量，同时初始化满足精度网格的流场参数；
第一计算模块，用于当当前满足精度网格的霜层温度高于融化点时，计算当前满足精度网格的霜层的融化速度；
第二计算模块，用于当融化水的温度低于凝固点时，计算当前满足精度网格的液态水凝固速度；
第三计算模块，用于基于霜层的总体积、冷表面的面积，生成当前满足精度网格的霜层的平均厚度；
第一确定模块，用于当满足预设条件时，根据霜层的融化速度、液态水凝固速度及霜层的平均厚度，确定当前满足精度网格凝固融化过程中的结霜状态，所述预设条件为大于预设时间步长；
第二确定模块，用于初始化下一满足精度网格的流场参数，转入第一计算模块，循环计算所有满足精度的网格，确定凝固融化过程中的结霜状态。
9.一种终端，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7任一所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7任一所述的基于凝固融化过程结霜模拟方法。
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