CN118211385A - 含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，建立关于水下动力系统的冷凝器与冷凝器的流体域、蒸发器与蒸发器的流体域的三维模型；利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；选取冷凝器的初始壁温，对冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度仿真计算；结合冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度对蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度仿真计算；判断两次仿真计算均收敛，若均收敛，则完成耦合计算；否则将蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度作为冷凝器的初始壁温返回进行仿真计算，本发明方法通过将耦合面的壁面温度与壁面热流密度作为中间量，能够实现两个不同多相流模型下耦合计算。
Description
技术领域
本发明属于工程热力学技术领域，具体涉及含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法。
背景技术
随着各国对海洋权益的日渐重视，无人水下航行器(UUV)的性能须进一步提升才能满足水下探测、侦察、攻击等任务的需求。攻击型无人水下航行器由于其威力大、隐蔽性高等特点，在现在乃至未来一段时间内，仍是打击敌方舰艇的重要武器。近年来，水面与水下作战舰艇普遍拥有了更强的航行机动能力，这对攻击型无人水下航行器的航行性能提出了更高的要求。
水下航行器新型半闭式循环动力系统中，包含高温高压燃气凝结换热和液相水蒸发相变换热两个循环通道。燃料燃烧产生的高温高压燃气在内道，而内循环工质水在外道。外循环为高温高压燃气凝结换热，高温高压燃气的组分复杂，包含蒸气和不凝气体，不凝气体的存在会严重抑制蒸气凝结换热从而降低高温换热器的换热效率。高温高压燃气进入高温换热器冷凝，将冷凝带来的热量通过换热器将内循环的液相水加热成过热蒸气。内循环是蒸气朗肯循环，高温高压的过热蒸气推动微型涡轮机做功。该动力系统充分利用了高温换热器燃气通道压力高的特点，为水下航行器大航深的实现创造了可能。
在仿真计算中，需同时计算含不凝气体的蒸汽凝结换热和液相水的蒸发相变换热。若燃气凝结换热和液相水蒸发相变换热两个仿真算例采用相同的多相流模型则计算容易发散，若采用不同的多相流模型，使得冷凝和蒸发两个算例耦合计算的数据交换存在困难。
发明内容
本发明的目的是提供含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，通过将耦合面的壁面温度与壁面热流密度作为中间量，能够实现两个不同多相流模型下耦合计算。
本发明的含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，冷凝器的一面与蒸发器的一面相邻形成耦合面，具体步骤为：
步骤1、建立关于水下动力系统的冷凝器与冷凝器的流体域、蒸发器与蒸发器的流体域的三维模型；
步骤2、利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；
步骤3、选取冷凝器的初始壁温，对冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度仿真计算；
步骤4、结合冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度对蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度仿真计算；
步骤5、判断两次仿真计算均收敛，若均收敛，则完成耦合计算；否则将蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度作为冷凝器的初始壁温返回步骤3。
本发明的特点还在于：
步骤1具体过程为：利用三维建模软件对动力系统蒸发器和冷凝器实体几何造型的构造，形成关于水下动力系统的冷凝器与冷凝器的流体域、蒸发器与蒸发器的流体域的三维模型。
步骤2后还包括：对网格划分后的三维模型垂直固体域和流体域交界面处第一层网格尺寸设为0.01，生长比率为1.1。
步骤3具体过程为：
步骤3.1、选取低于相应工作压力下饱和温度的温度作为冷凝器的初始壁温，定义冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器流体域出入口边界条件；
步骤3.2、对网格划分后的冷凝器和冷凝器的流体域采用VOF多相流模型仿真，结合初始壁温、冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器出入口边界条件计算冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度。
冷凝器流体域出入口边界条件包括冷凝器流体域的入口为质量流量入口、冷凝器流体域的出口为压力出口。
步骤3.2具体过程为：将初始壁温、冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器出入口边界条件输入双精度的3D压力基求解器，3D压力基求解器使用SIMPLE算法，设定燃气和水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，液体和气体之间采用VOF模型仿真，湍流模型采用k-ωSST模型，使用udf函数加载质量源项和能量源项，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度。
步骤4具体过程为：
步骤4.1、将冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度导入蒸发器换热壁面上作为蒸发器仿真的壁面边界条件，定义蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件；
步骤4.2、对网格划分后的蒸发器和蒸发器的流体域采用欧拉欧拉多相流模型仿真，结合作为蒸发器仿真的壁面边界条件、蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件，计算蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度。
蒸发器流体域出入口边界条件包括蒸发器流体域的入口为质量流量入口、蒸发器流体域的出口为压力出口。
步骤4.2具体过程为：将蒸发器仿真的壁面边界条件、蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件输入双精度的3D压力基求解器，3D压力基求解器使用Phase Coupled SIMPLE算法，水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，蒸发器仿真中液体和气体之间采用Eulerian模型仿真，湍流模型采用k-eRealizable模型，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出流体域换热壁面上每个网格的温度。
步骤5判断两次仿真计算均收敛具体过程为：
判断冷凝器的流体域的出口处液体体积分数波动、蒸发器的流体域的出口处气体体积分数波动是否均超过1％，若均未超过，则收敛，否则不收敛；
其中，
本发明有益效果是：
本发明的含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，通过壁面温度与壁面热流密度作为中间量，能够实现两个不同多相流模型下的耦合计算，也可适用于定长和非定长耦合。
附图说明
图1是本发明含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法流程图；
图2为本发明中两个循环通道示意图；
图3为本发明实施例3中对冷凝与蒸发在不同多相流下的耦合的二维模型示意图；
图4为本发明实施例3中冷凝出口凝结水体积分数变化图；
图5为本发明实施例3中蒸发出口水蒸气体积分数变化图；
图6为本发明实施例3中不同耦合次数壁面温度变化图
图7为本发明实施例3中不同耦合次数壁面热流密度变化图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，冷凝器的一面与蒸发器的一面相邻形成耦合面，如图1所示，具体步骤为：建立关于水下动力系统的冷凝器与冷凝器的流体域、蒸发器与蒸发器的流体域的三维模型；利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；选取冷凝器的初始壁温，对冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度仿真计算；结合冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度对蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度仿真计算；判断两次仿真计算均收敛，若均收敛，则完成耦合计算；否则将蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度作为冷凝器的初始壁温返回步骤3。
凝结和蒸发多相流模型不同，凝结为VOF，蒸发为欧拉欧拉，因此控制方程不同，无法通过确定的壁面边界条件同时求解，本实施例中采用VOF模型对冷凝器行仿真，采用欧拉欧拉多相流模型对蒸发器进行仿真，通过壁面温度与壁面热流密度作为中间量，能够实现两个不同多相流模型下的耦合计算，也可适用于定长和非定长耦合。从而解决采用不同的多相流模型，使得冷凝和蒸发两个算例耦合计算的数据交换存在困难的问题。
实施例2
含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，冷凝器的一面与蒸发器的一面相邻形成耦合面，具体步骤为：
利用三维建模软件对动力系统蒸发器和冷凝器实体几何造型的构造，形成关于水下动力系统的冷凝器与冷凝器的流体域、蒸发器与蒸发器的流体域的三维模型。
利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；对网格划分后的三维模型垂直固体域和流体域交界面处第一层网格尺寸设为0.01，生长比率为1.1；
选取低于相应工作压力下饱和温度的温度作为冷凝器的初始壁温，定义冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器流体域出入口边界条件；将初始壁温、冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器出入口边界条件输入双精度的3D压力基求解器，3D压力基求解器使用SIMPLE算法，设定燃气和水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，液体和气体之间采用VOF模型仿真，湍流模型采用k-ωSST模型，使用udf函数加载质量源项和能量源项，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度。
其中，冷凝器流体域出入口边界条件包括冷凝器流体域的入口为质量流量入口、冷凝器流体域的出口为压力出口。
将冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度导入蒸发器换热壁面上作为蒸发器仿真的壁面边界条件，定义蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件；将蒸发器仿真的壁面边界条件、蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件输入双精度的3D压力基求解器，3D压力基求解器使用Phase Coupled SIMPLE算法，水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，蒸发器仿真中液体和气体之间采用Eulerian模型仿真，湍流模型采用k-eRealizable模型，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出流体域换热壁面上每个网格的温度。
其中，蒸发器流体域出入口边界条件包括蒸发器流体域的入口为质量流量入口、蒸发器流体域的出口质量流量的压力出口。
判断冷凝器的流体域的出口处液体体积分数波动、蒸发器的流体域的出口处气体体积分数波动是否均超过1％，若均未超过，则收敛，否则不收敛；
其中，
若均收敛，则完成耦合计算；否则将蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度作为冷凝器的初始壁温返回对冷凝器进行仿真。
在ANSYS Fluent中，用欧拉-欧拉法描述的多相流模型有三种，分别是：欧拉模型(Eulerian Model)、混合模型(Mixture Model)以及流体体积模型(Volume of FluidModel)。针对相变研究需要选择合适的相变模型来计算相变源项，目前VOF方法模拟相变时，Lee模型由于简单而被广泛使用，但它是一种经验模型，Lee模型的蒸发冷凝传质强度因子应当对于不同工况甚至不同网格取不同的值，取合适的值较为困难。冷凝越大越好，对蒸发无法确认，因此，本发明中蒸发当前研究主流使用的方法是欧拉欧拉。
实施例3
对冷凝与蒸发在不同多相流下的耦合计算问题采用二维轴对称模型进行计算，二维轴对称模型如图3所示。具体过程为：选取低于相应工作压力下饱和温度的温度作为冷凝器的初始壁温，定义冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器流体域出入口边界条件；将初始壁温、冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器出入口边界条件输入双精度的2D压力基求解器，2D压力基求解器使用SIMPLE算法，设定燃气和水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，液体和气体之间采用VOF模型仿真，湍流模型采用k-ωSST模型，使用udf函数加载质量源项和能量源项，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度。
其中，冷凝器流体域出入口边界条件包括冷凝器流体域的入口为质量流量入口、冷凝器流体域的出口为压力出口。
将冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度导入蒸发器换热壁面上作为蒸发器仿真的壁面边界条件，定义蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件；将蒸发器仿真的壁面边界条件、蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件输入双精度的2D压力基求解器，2D压力基求解器使用Phase Coupled SIMPLE算法，水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，蒸发器仿真中液体和气体之间采用Eulerian模型仿真，湍流模型采用k-eRealizable模型，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出流体域换热壁面上每个网格的温度。
其中，蒸发器流体域出入口边界条件包括蒸发器流体域的入口为质量流量入口、蒸发器流体域的出口为压力出口。
模型为竖直直管，尺寸参数以及入口条件如表1所示。
表1
| 参数 | 单位 | 数值 |
| 冷凝通道长度 | mm | 1000 |
| 冷凝入口孔径 | mm | 4 |
| 壁面厚度 | mm | 1.5 |
| 蒸发通道长度 | mm | 1000 |
| 蒸发入口孔径 | mm | 3 |
| 冷凝工作压力 | MPa | 12 |
| 冷凝入口温度 | K | 600 |
| 冷凝入口流量 | g/s | 53 |
| 蒸发工作压力 | MPa | 2 |
| 蒸发入口温度 | K | 475 |
| 蒸发入口流量 | g/s | 53 |
冷凝为稳态，蒸发为瞬态，通过壁面温度和热流密度作为中间变量，每间隔0.05s交换一次数据，通过换热壁面的热流密度和温度作为中间变量，对不同多相流下的两个算例进行耦合计算。通过观察出口处的液相和气相的体积分数分析冷凝和蒸发效果。通过分析每次耦合换热壁面上热流密度和壁面温度的变化判断是否收敛。
图4、图5为耦合计算20次冷凝和蒸发出口处体积分数变化曲线。从图4、图5中可以看出，冷凝仿真出口水体积分数因壁面温度在逐渐上升而逐渐减小，维持在0.2左右。蒸发出口水蒸气体积分数在0.85左右波动。
图6、图7为耦合计算20次壁面温度和壁面热流密度曲线。从图6、图7中可以看出，每次耦合壁面温度的变化趋势为逐渐增加且越进行相邻两次变化越小。壁面热流密度变化趋势为逐渐减小，不过波动较大。
通过出口处凝结水和水蒸气的体积分数变化曲线以及不同耦合次数壁面温度变化图来看变化不大，已经基本稳定，认为耦合收敛。
通过上述方式，本发明的含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，通过壁面温度与壁面热流密度作为中间量，能够实现两个不同多相流模型下的耦合计算，也可适用于定长和非定长耦合。
Claims (10)
1.含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，所述冷凝器的一面与蒸发器的一面相邻形成耦合面，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、建立关于水下动力系统的冷凝器与冷凝器的流体域、蒸发器与蒸发器的流体域的三维模型；
步骤2、利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；
步骤3、选取冷凝器的初始壁温，对冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度仿真计算；
步骤4、结合冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度对蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度仿真计算；
步骤5、判断两次仿真计算均收敛，若均收敛，则完成耦合计算；否则将蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度作为冷凝器的初始壁温返回步骤3。
2.根据权利要求1所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，步骤1具体过程为：利用三维建模软件对动力系统蒸发器和冷凝器实体几何造型的构造，形成关于水下动力系统的冷凝器与冷凝器的流体域、蒸发器与蒸发器的流体域的三维模型。
3.根据权利要求1所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，步骤2后还包括：对网格划分后的三维模型垂直固体域和流体域交界面处第一层网格尺寸设为0.01，生长比率为1.1。
4.根据权利要求1所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，步骤3具体过程为：
步骤3.1、选取低于相应工作压力下饱和温度的温度作为冷凝器的初始壁温，定义冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器流体域出入口边界条件；
步骤3.2、对网格划分后的冷凝器和冷凝器的流体域采用VOF多相流模型仿真，使用udf函数加载质量源项和能量源项，结合初始壁温、冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器出入口边界条件计算冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度。
5.根据权利要求4所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，所述冷凝器流体域出入口边界条件包括冷凝器流体域的入口为质量流量入口、冷凝器流体域的出口为压力出口。
6.根据权利要求4所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，步骤3.2具体过程为：将初始壁温、冷凝器的流体域的工作温度、冷凝器的流体域的工作压力、冷凝器出入口边界条件输入双精度的3D压力基求解器，所述3D压力基求解器使用SIMPLE算法，设定燃气和水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，液体和气体之间采用VOF模型仿真，湍流模型采用k-ωSST模型，使用udf函数加载质量源项和能量源项，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度。
7.根据权利要求1所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，步骤4具体过程为：
步骤4.1、将冷凝器内耦合面上每个网格的壁面热流密度导入蒸发器换热壁面上作为蒸发器仿真的壁面边界条件，定义蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件；
步骤4.2、对网格划分后的蒸发器和蒸发器的流体域采用欧拉欧拉多相流模型仿真，结合作为蒸发器仿真的壁面边界条件、蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件，计算蒸发器内耦合面每个网格的壁面温度。
8.根据权利要求6所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，所述蒸发器流体域出入口边界条件包括蒸发器流体域的入口为质量流量入口、蒸发器流体域的出口为压力出口。
9.根据权利要求6所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，步骤4.2具体过程为：将蒸发器仿真的壁面边界条件、蒸发器的流体域的工作压力、蒸发器流体域出入口边界条件输入双精度的3D压力基求解器，所述3D压力基求解器使用PhaseCoupled SIMPLE算法，水蒸气为理想可压气体并打开能量方程，液态水为不可压液体，蒸发器仿真中液体和气体之间采用Eulerian模型仿真，湍流模型采用k-eRealizable模型，对其他壁面设置无滑移绝热边界条件，求解出流体域换热壁面上每个网格的温度。
10.根据权利要求1所述含不凝气体蒸汽凝结与蒸发相变耦合方法，其特征在于，步骤5所述判断两次仿真计算均收敛具体过程为：
判断冷凝器的流体域的出口处液体体积分数波动、蒸发器的流体域的出口处气体体积分数波动是否均超过1％，若均未超过，则收敛，否则不收敛；
其中，
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