流体-固体的节点化两相流建模方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及流体-固体的节点化两相流建模方法。
【背景技术】
[0002] 目前，重力驱动简单两相流固耦合传热问题在工程上主要有两种求解方法。
[0003] 第一种方法用基于扩散分界面的"相场"方法来求解两相流区域的流场，并与固体 实时耦合。主要应用于商业CFD(计算流体力学）软件，如FLUENT。"相场"方法用序参数1 (x，t)、<i>b(x，t)对两相a、b的空间分布进行建模。在相a占据的区域<K(x，t)等于1，在相a不 存在的区域Φ a(X，t)等于0，在相a周围的扩散分界面内Φ a(X，t)在1到0之间连续变化。在流 场中的任何位置，巾3(1，0与(^(1，〇之和都等于1。在扩散分界面内，流体的特征参数通过 对两相各自的特征参数依据序参数进行插值来获得。所以，流场中流体的特征参数处处连 续，在整个求解区域内各相的控制方程是统一的。这种方法适用范围较广，可以处理比较复 杂的相变两相流问题，但计算效率较低，而且处理不互溶的简单两相流时有一定误差。第二 种方法用节点化的方法对流体、固体进行建模，求解由这些热节点组成的节点热网络。主要 应用于商业节点热网络软件，如FIowmaster。在工程应用中，这种算法将固体结构、两相流 体抽象成若干个具有一定温度、质量的节点。考虑各节点间的对流、辐射、导热作用，以及环 境辐射、油箱内热源，就可以对各节点列出热平衡方程。对整个系统的热平衡微分方程组进 行瞬态迭代求解，就可以实现对整个流固耦合传热系统的仿真、求解。虽然这种方法具有高 的计算效率，但计算结果的质量较差，无法给出准确的温度场。
【发明内容】
[0004] 根据本发明的一个方面，提供了一种流体-固体的节点化两相流建模方法，其特征 在于将两相流体中的液相和气相分别抽象为具有温度、质量、体积的节点，并包括：
[0005] A)计算当前时刻两相流体中的液相和气相的体积，通过重力方向的体积积分计算 出两相分界面；
[0006] B)使用对流换热公式，计算流固耦合壁面的对流换热热流密度；
[0007] C)使用一个表面辐射换热模型，计算流固耦合壁面的辐射热流密度，并将辐射热 流密度与步骤B)中求出的对流换热热流密度相加，获得流固耦合壁面的总热流密度；
[0008] D)计算下一时间步内气相和液相获得的总对流换热热量，分别更新气相和液相的 加权平均温度；
[0009] E)根据流固耦合壁面的总热流密度，计算流固耦合壁面的温度梯度，进行一个时 间步的固体瞬态传热计算；
[0010] F)下一时间步之后的时刻，重复A)至E)，直到到达瞬态传热终止时刻。
【附图说明】
[0011]图1是根据本发明的一个实施例的流体-固体的节点化两相流建模方法的流程图。
[0012] 图2是一个具备隔热层和内置电子设备的典型飞机燃油箱模型的纵剖面示意图， 用于检验本发明的方法的可靠性。
[0013] 图3A显示了用根据本发明的流体-固体的节点化两相流建模方法对图2所示的飞 机燃油箱模型进行的数值计算的结果；图3B显示了用Fluent软件对图2所示的飞机燃油箱 模型进行的计算结果。
【具体实施方式】
[0014] 根据本发明的流体-固体的节点化两相流建模方法，将两相流体抽象成具有一定 温度、质量、体积的节点，用节点热网络的思想来处理，规避多相流CHH十算。同时，依然用数 值传热学的方法来求解固体区域的瞬态传热，保证固体区域温度的计算结果质量。由于计 算中将流体节点化处理，所以辐射模型选择不依托流体区域的表面辐射换热模型(S2S)。
[0015] 如图1所示，根据本发明的一个实施例的流体-固体的节点化两相流建模方法包 括：
[0016] 1)将液相、气相分别抽象为具有温度、质量、体积的"节点"；
[0017] 2)计算当前时刻两相流体中气相和液相的体积，通过重力方向的体积积分计算出 液面高度(两相分界面）；（步骤101、102)
[0018] 3)使用对流换热公式，计算流固耦合壁面对流换热热流密度；（步骤103)
[0019] 4)使用表面辐射换热模型（S2S)模型，计算流固耦合壁面的辐射热流密度（步骤 104)，并将辐射热流密度与步骤103中求出的对流换热热流密度相加，获得总热流密度；（步 骤 105)
[0020] 5)计算下一时间步内气相和液相获得的总对流换热热量，分别更新气相和液相的 加权平均温度；（步骤106、107)
[0021] 6)根据流固耦合壁面的总热流密度计算流固耦合壁面温度梯度，进行一个时间步 的固体瞬态传热计算；（步骤108、109)
[0022] 7)在下一时刻（下一时间步之后的时刻），重复2)至6 )，直到到达瞬态传热终止时 刻。
[0023] 2.1两相区域划分
[0024]根据本发明的一个实施例，在如图1中的步骤101、102所表示的处理中，为了确定 流固耦合壁面上的对流换热系数，需要对两相流体区域进行划分。
[0025] 假设液相质量流速很小且液面的波动可以忽略，则两相区域划分可以用液相的液 面高度来代替。即首先根据进/出口质量流量获得每一时刻液相体积，然后根据液相体积确 定液面高度，即两相分界面。
[0026] 考虑到固体内几何模型往往比较复杂，液面高度可根据液相体积通过网格单元体 积分的方法更简单、更准确地获得。具体方法包括：
[0027] 1)获得所有体单元的中心点坐标和体积，并根据中心点高度由低到高进行排序。
[0028] 2)设定初始液面高度，将该高度以下所有体元的体积相加，即可近似得到初始液 相体积及质量。
[0029] 3)根据进/出口质量流量获得各时刻液相质量，并结合液相平均温度确定每一时 刻的液相体积。
[0030] 4)按中心点高度从低到高依次将对应体单元的体积相加，直到第i体元时体积之 和首次大于等于该时刻液相体积，则将该体单元网格的中心点高度近似看作当前时刻液面 高度，即两相分界面的位置。如果所有体单元网格尺寸均在毫米量级，则这种方法确定的液 面高度满足工程设计误差范围。
[0031] 2.2 S2S辐射模型
[0032] 在本算法中，两相流区被节点化处理，所以在计算过程中流体网格不会被加载入 求解器，需要使用不受流场影响的辐射模型（步骤104)。表面辐射换热模型（S2S)在瞬态计 算开始之前，需要使用流体网格来计算辐射角系数，但在瞬态计算中不依赖流场，适合在本 方法中使用。
[0033] 使用S2S模型计算辐射热流时，所需消耗的时间与参与辐射的面单位数目的平方 成正比。这意味着，如果以面元为单位计算热辐射，需要消耗大量的时间。所以，可以将若干 个面元组合成一个表面束，然后以表面束为单位计算辐射热流。
[0034]对于表面束t，其本身的辐射为：
[0035] 為·馬=八·σ_7;4
[0036] 其中，1*为表面束t的辐射率，σ为波尔兹曼常数，Eb为黑体辐射力，Tt为表面束t的 绝对温度。考虑到投射到表面的辐射G会有（1-A t) · Gt的部分被反射，表面束t的有效辐射Jt 可以表示为：
[0037] Jt = At · Eb+(l^t) · Gt
[0038] 讲一步的，有有效辐射方稈为：
[0039]
[0040]其中Ft,i为表面束t到表面束i得辐射角系数。因为：
[0041]
[0042] 所以有效辐射方程的系数矩阵严格对角占优，故可逆。通过求解该方程，可以获得 所有表面束的有效辐射热流密度J。最终，表面束t吸收的辐射热流密度的表达式为：
[0043]
[0044]其中Qrt为表面束t包含的所有面元的辐射热流密度。将辐射热流密度与通过面元 进入固体区域的对流换热热流密度相加，就可以得到通过面元进入固体的总热流密度。
[0045] 由于以表面束为单位计算辐射角系数会造成一定误差，所以在实际计算中，需要 在有效辐射方程、辐射热流密度表达式的基础上加以修正。
[0046] 具体包括，