本發(fā)明涉及工程熱力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法。

背景技術(shù)：

冬季房間的地暖管網(wǎng)采暖，夏季房間的吊頂管網(wǎng)輻射制冷，節(jié)能性、環(huán)境舒適度均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)換熱器/供冷方式，在國內(nèi)外民用建筑行業(yè)正在迅速普及。需要利用熱流體模擬軟件進行計算機仿真，以便對管網(wǎng)鋪設(shè)及運行控制進行優(yōu)化設(shè)計。

制冷空調(diào)、石油化工等行業(yè)普遍使用的管式換熱器設(shè)計和研發(fā)，也需要進行內(nèi)外傳熱耦合的數(shù)值模擬技術(shù)。

由于管網(wǎng)長徑比、管外空間尺寸和管徑尺寸的比例過大，導(dǎo)致傳統(tǒng)的模擬方法難以解決計算規(guī)模和計算精度之間的矛盾。例如地暖管網(wǎng)的直徑通常為D＝20mm，而總長度L為數(shù)百m，使長徑比L/D達到數(shù)萬倍，房間的尺寸一般為10～20米，因此房間與管道特征尺寸的比例也有數(shù)千倍之多。如果進行管內(nèi)對流傳熱與管外空間(地板鋪設(shè)層及房間)內(nèi)傳熱的耦合數(shù)值模擬，需要在管網(wǎng)近處生成尺寸比管徑更小的細密網(wǎng)格，致使總網(wǎng)格規(guī)模達到數(shù)百萬以上的量級，計算規(guī)模和效率不具有工程意義。反之，如果生成的網(wǎng)格過粗，管網(wǎng)形狀難以再現(xiàn)，管內(nèi)換熱的計算精度較低，整體的數(shù)值模擬精度也難以保證。

目前比較通用的方法是將管內(nèi)傳熱和管外傳熱的模擬分開進行，再通過內(nèi)外邊界上的數(shù)據(jù)傳遞進行耦合，又稱弱耦合計算。弱耦合計算的手續(xù)一般較為繁瑣，給程序開發(fā)和工程計算造成不便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提供了一種管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法，兼顧精度和效率，能夠利用適度規(guī)模的網(wǎng)格獲得較精確的模擬結(jié)果，操作簡便，不需要一般弱耦合計算那樣的數(shù)據(jù)傳遞界面。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法，包括：建模步驟：建立管網(wǎng)模型，生成管網(wǎng)節(jié)點；網(wǎng)格化步驟：對管網(wǎng)所在的計算空間進行網(wǎng)格劃分，生成計算網(wǎng)格；匹配步驟：將所述管網(wǎng)節(jié)點與計算網(wǎng)格進行匹配；管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟：基于所述管網(wǎng)節(jié)點與計算網(wǎng)格的匹配關(guān)系，進行管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算；管外熱流體模擬計算步驟：將管網(wǎng)作為局部熱源，利用內(nèi)外換熱量進行管外空間熱流體模擬計算；數(shù)據(jù)耦合精度判別步驟：判斷數(shù)據(jù)耦合精度是否達到要求，若精度未達到要求，重復(fù)上述管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟和管外熱流體模擬計算步驟，直至精度達到要求，實現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)外傳熱的數(shù)據(jù)耦合。

優(yōu)選地，在所述建模步驟中，沿管道的軸線將管道劃分為多個管段，每個管段由處于管道中心線上的節(jié)點表示，并按照管道內(nèi)流體的流動方向?qū)⒐?jié)點排序。

優(yōu)選地，在所述網(wǎng)格化步驟中，所述計算網(wǎng)格的生成與管網(wǎng)形狀無關(guān)，且對管網(wǎng)附近的計算網(wǎng)格進行局部加密。

優(yōu)選地，在所述匹配步驟中，通過坐標搜索與管網(wǎng)節(jié)點匹配的計算網(wǎng)格，并記錄匹配的計算網(wǎng)格數(shù)和匹配的計算網(wǎng)格總體積。

優(yōu)選地，如果計算網(wǎng)格的中心與節(jié)點的距離小于或等于管道半徑，則認為該計算網(wǎng)格與節(jié)點匹配，否則認為計算網(wǎng)格不匹配。

優(yōu)選地，在所述管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟中，由節(jié)點處的管道內(nèi)流體溫度和當前時間點的管壁外溫度，計算內(nèi)外換熱熱流密度；由內(nèi)外換熱熱流密度得到內(nèi)外換熱量；由內(nèi)外換熱量求出下一個節(jié)點處管道內(nèi)流體溫度；不斷重復(fù)上述步驟，得到所有節(jié)點的內(nèi)外換熱量。

優(yōu)選地，在所述管外熱流體模擬計算步驟中，由節(jié)點的內(nèi)外換熱量計算分配給節(jié)點各個匹配計算網(wǎng)格的熱量；基于節(jié)點各個匹配計算網(wǎng)格的熱量，進行管外空間熱流體模擬，求解能量控制方程，得到下一個時間點的管壁外溫度。

優(yōu)選地，在所述數(shù)據(jù)耦合精度判別步驟中，判斷當前時間點與下一時間點的管壁外溫度差是否達到門限值，若否，則將下一時間點的管壁外溫度返回管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟，重復(fù)管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟和管外熱流體模擬計算步驟，直至精度達到要求，實現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)外傳熱的數(shù)據(jù)耦合。

優(yōu)選地，所述管網(wǎng)是圓形管或橢圓扁管；流體為水、制冷劑或熱油。

優(yōu)選地，管網(wǎng)模型為二維網(wǎng)絡(luò)或三維網(wǎng)格。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法具有以下有益效果：

本發(fā)明的管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法，無需弱耦合計算的數(shù)據(jù)傳遞界面，操作簡便，能夠獲得精確的仿真結(jié)果。計算空間的網(wǎng)格規(guī)模適度，網(wǎng)格的劃分與管網(wǎng)形狀無關(guān)，降低了仿真方法的復(fù)雜度，兼顧了運算效率與精度。管網(wǎng)附近區(qū)域的計算網(wǎng)格的密度可大于其他區(qū)域的網(wǎng)格密度，提高了仿真精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例的管網(wǎng)模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的計算網(wǎng)格和節(jié)點匹配關(guān)系示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的管網(wǎng)內(nèi)外傳熱的數(shù)據(jù)耦合流程圖；

圖5為本發(fā)明實施例的管網(wǎng)和房間結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

參見圖1，本發(fā)明實施例的一種管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法，在本方法中，首先是建模步驟：建立管網(wǎng)模型，生成管網(wǎng)節(jié)點。

作為仿真對象的管網(wǎng)是由管道排布而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在該步驟中，沿管道的軸線，將管道劃分為多個管段，每個管段由處于管道中心線上的節(jié)點表示，并按照管道內(nèi)流體的流動方向?qū)⒐?jié)點排序。例如在圖2中，管道蛇形排布形成管網(wǎng)，管道被分為N個管段，每個節(jié)點代表一個管段，沿流體流動方向?qū)⒐?jié)點排序為1、2、...、N，N大于等于2的自然數(shù)。

其次是網(wǎng)格化步驟：對管網(wǎng)所在的計算空間進行網(wǎng)格劃分，生成計算網(wǎng)格。

在本步驟中，參見圖3，計算空間的網(wǎng)格劃分無需考慮管道的形狀和位置，即不需要根據(jù)管網(wǎng)的形狀劃分網(wǎng)格，計算網(wǎng)格的生成與管網(wǎng)形狀無關(guān)，這樣網(wǎng)格劃分更加簡單快捷，降低了仿真方法的復(fù)雜度。另外，可以對管網(wǎng)附近的計算網(wǎng)格進行局部加密，管網(wǎng)附近區(qū)域的計算網(wǎng)格的密度可以大于其他區(qū)域的網(wǎng)格密度，以提高仿真精度。計算空間可以是管網(wǎng)所在的整個房間，即房間圍成的空間區(qū)域，如圖5顯示了管網(wǎng)和房間結(jié)構(gòu)示意圖。

然后是匹配步驟：將管網(wǎng)節(jié)點與計算網(wǎng)格進行匹配。

針對每個管網(wǎng)節(jié)點，通過坐標搜索與其匹配的計算網(wǎng)格，并記錄匹配的計算網(wǎng)格數(shù)和匹配的計算網(wǎng)格總體積。

管網(wǎng)節(jié)點與計算網(wǎng)格的匹配標準可以根據(jù)需要設(shè)定，例如可以以管徑作為判斷標準，如果計算網(wǎng)格的中心與節(jié)點的距離小于或等于管道半徑，則認為該計算網(wǎng)格與節(jié)點匹配，否則認為計算網(wǎng)格遠離節(jié)點，二者不匹配。

接著是管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟：基于管網(wǎng)節(jié)點與計算網(wǎng)格的匹配關(guān)系，進行管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算。

在管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算中，首先，由節(jié)點處的管道內(nèi)流體溫度和當前時間點的管壁外溫度，計算內(nèi)外換熱熱流密度：

q_i＝k[T_f(i)-T_w] (1)

其中，i表示第i個節(jié)點；q_i表示第i個節(jié)點處的內(nèi)外換熱熱流密度；k表示從管內(nèi)到管外的總傳熱系數(shù)，其考慮了管內(nèi)對流換熱和管壁到熱的作用；T_f(i)表示第i個節(jié)點處管道內(nèi)流體溫度；T_w表示當前時間點的管壁外溫度；T_f(i)和T_w的初始值可以人工設(shè)定。

其次，由內(nèi)外換熱熱流密度得到內(nèi)外換熱量：

Q_i＝A_sq_i (2)

A_s＝πDΔ1 (3)

其中，A_s表示第i個節(jié)點的管段的管表面積；Δ1表示第i個節(jié)點的管段長度；D表示第i個節(jié)點的管段直徑。

然后，根據(jù)能量守恒，流體在第i個節(jié)點管段供應(yīng)上述內(nèi)外換熱量后溫度降低，于是可求出下游流體溫度，即第i+1個節(jié)點處管道內(nèi)流體溫度：

T_f(i+1)＝T_f(i)-2q_i/ρc_pUr (4)

其中，T_f(i+1)表示第i+1個節(jié)點處管道內(nèi)流體溫度；ρ、c_p、Ur分別表示水的密度、比熱容和流速；對于地面采暖，管內(nèi)熱水放熱，內(nèi)外換熱量Q為負值，下游水溫降低，對于吊頂制冷，管內(nèi)冷水吸熱，內(nèi)外換熱量Q為負值，下游水溫升高。

將公式(4)得到的第i+1個節(jié)點處管道內(nèi)流體溫度代入公式(1)，并不斷重復(fù)公式(1)-(4)，得到所有節(jié)點的內(nèi)外換熱量。

之后是管外熱流體模擬計算步驟：在管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算完成后，將管網(wǎng)作為局部熱源，利用內(nèi)外換熱量進行管外空間熱流體模擬計算。

首先，由節(jié)點的內(nèi)外換熱量計算分配給節(jié)點各個匹配計算網(wǎng)格的熱量。

內(nèi)外換熱量Q通過管壁傳給管外介質(zhì)(地暖鋪設(shè)層或空氣)，由于本方法不存在實際的管壁界面，需要將內(nèi)外換熱量轉(zhuǎn)換為體積熱源，再分配給與管網(wǎng)節(jié)點匹配的計算網(wǎng)格，即：

divQ_i＝Q_i/ΔV_i (5)

其中，Q_i表示第i個節(jié)點的內(nèi)外換熱量；ΔV_i是與第i個節(jié)點匹配的計算網(wǎng)格的總體積，分配給各個匹配計算網(wǎng)格的熱量為該計算網(wǎng)格的體積與divQ_i的乘積。

然后，基于節(jié)點各個匹配計算網(wǎng)格的熱量，進行管外空間熱流體模擬，求解能量控制方程，得到下一個時間點的管壁外溫度T’_w。

最后判斷數(shù)據(jù)耦合精度是否達到要求，例如當前時間點與下一時間點的管壁外溫度差T’_w-T_w是否達到門限值，若精度未達到要求，則將管壁外溫度T’_w代入公式(1)，返回管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟，重復(fù)管網(wǎng)內(nèi)傳熱計算步驟和管外熱流體模擬計算步驟，直至精度達到要求，實現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)外傳熱的數(shù)據(jù)耦合，數(shù)據(jù)耦合的流程可以參見圖4所示。

本發(fā)明的管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法，無需弱耦合計算的數(shù)據(jù)傳遞界面，操作簡便，能夠獲得精確的仿真結(jié)果。計算空間的網(wǎng)格劃分與管網(wǎng)形狀無關(guān)，降低了仿真方法的復(fù)雜度，管網(wǎng)附近區(qū)域的計算網(wǎng)格的密度大于其他區(qū)域的網(wǎng)格密度，提高了仿真精度。

本方法已成功用于地暖管網(wǎng)采暖模擬，管網(wǎng)和房間結(jié)構(gòu)與模擬結(jié)果如圖5所示。在本方法中，管網(wǎng)可以是圓形管，也可以是橢圓扁管或其它形狀的管。流體也不限于水，可以是制冷劑、熱油或其它工質(zhì)。在上述實施例中，管網(wǎng)模型為一維網(wǎng)格，即僅沿管道軸線對管道進行網(wǎng)格化；但本發(fā)明的管網(wǎng)模型也可以采用二維網(wǎng)絡(luò)或三維網(wǎng)格。在二維網(wǎng)格中，沿管道軸線和徑向?qū)艿肋M行網(wǎng)格化，在三維網(wǎng)格中，沿管道軸線、徑向和切向(即管截面周向)對管道進行網(wǎng)格化，然后再進行管網(wǎng)內(nèi)外傳熱的數(shù)據(jù)耦合計算。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當對本發(fā)明的管網(wǎng)內(nèi)外傳熱耦合仿真方法有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(2)上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。