一种矿井降温用冷却器流动换热计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿井降温用冷却器流动换热计算方法，包括如下步骤：读入结构参数及物性参数，主要包括换热表面结构类型及结构参数、含尘空气的温度湿度及物性参数、换热管温度、换热管及换热表面的物性参数；网格生成，主要包括识别换热表面几何拓扑特征并标识流固区域、生成基础网格、网格质量考核和网格局部加密；定义初始条件及收敛条件；速度、压力场求解，主要包括边界条件设置、速度及压力场代数方程求解方法选择、速度初场定义、与速度初场匹配的压力初场求解、动量离散方程求解；温度场求解，主要包括温度边界条件设置、温度场代数方程求解方法选取及求解；速度场与温度场协同参数计算，并判断是否结束计算。本发明可以实现快速稳定地计算冷却器中的流动状态和换热情况，提高了优化设计效率。
【专利说明】
-种矿井降溫用冷却器流动换热计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及管翅式换热器技术领域，具体设及一种矿井降溫系统中冷却器流动换 热的计算方法，同时也适用于矿井空气压缩制冷技术中蒸发器及冷凝器的流动换热计算。
【背景技术】
[0002] 随着地层浅部煤炭储量日益减少和经济社会长足发展所需煤炭开采量持续增大， 煤炭深部开采成为必然趋势。增加矿井开采深度和提高机械化开采程度导致井下作业地点 高溫热害的产生，矿井热害既严重影响作业人员的生命安全和工作效率，又成为制约深部 开采技术的瓶颈。目前，矿井空调制冷技术是矿井高溫热害治理的主要手段，作为末端设备 的冷却器是矿井空调系统中最重要的换热部件，其流动与换热特性对矿井降溫效果具有重 要影响。
[0003] 冷却器广泛采用翅片管换热布置形式，具有结构紧凑和换热面积大等特点。为了 改善流动效果及强化空气侧换热，通常在翅片上开设缝条或不规则突起结构，生产加工和 试验研究成本较高。此外，冷却器在矿井作业区域运行，所处环境条件复杂，试验条件难W 满足研究要求，也难W捕捉详细的流场及溫度场分布。然而，数值计算方法实施成本较低， 能够计算较复杂的流动换热过程，获得计算区域内所有离散点的流动和换热信息，从而对 冷却器性能进行优化设计。求解包含化Vi er-Stokes方程(动量方程)在内的控制方程组是 解决流动换热问题的关键所在，由于控制方程组的非线性特征，给问题的解决带来了困难。 广大科研人员经过多年积累发展了多种算法及求解方法，但通过大量算例分析和数值实践 表明，计算方法的有效性与所解决问题类型有关。因此，针对矿用冷却器进一步发展提高计 算效率和稳定性的计算方法具有更加重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种矿井降溫用冷却器流动换热计算方法，可W实现快速稳 定地计算冷却器中的流动状态和换热情况，提高了优化设计效率。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] (1)确定流体计算区域，设定换热表面类型W及换热管布置形式，设置翅片、换热 管及强化结构的尺寸参数；
[0007] (2)定义流体、金属材料、煤尘及岩尘的物理属性，所述物理属性具体包括溫度、相 对湿度、导热系数、比热容、粘性系数；
[000引（3)根据几何拓扑特征，划分区域生成混合网格，并根据网格质量要求调整局部网 格密度分布；
[0009] (4)设置流体及固体区域、密度场和初始条件；
[0010] (5)设定速度边界条件，迭代计算各项系数及源项，求解动量方程和连续性方程W 满足收敛准则，获得速度场和压力场；
[0011] (6)设定溫度边界条件，迭代计算源项及离散项系数，求解能量方程W满足收敛准 贝IJ，获得溫度场；
[0012] (7)计算速度梯度、溫度梯度及协同角，依据场协同原理评判速度与溫度矢量的协 同性。
[0013] 进一步地，在上述步骤（1)中，翅片类型包括平直翅片和波纹翅片，强化结构类型 包括开缝、百叶窗、矩形翼和=角翼，设置的尺寸参数具体包括翅片厚度、翅片间距、波纹翅 片倾角、换热管外径、换热管壁厚、管排数、换热管横向间距、换热管纵向间距、百叶窗间距、 百叶窗倾角、矩形翼高度及长度、S角翼弦高比、翼形攻角。
[0014] 进一步地，在步骤(3)中，选用贴体坐标系进行网格生成，通过调整密度分布对翅 片、换热管壁、矩形翼和=角翼局部区域实施加密。
[001引进一步地，在步骤(5)中，采用K巧Iov子空间法中的Bi-CGSTAB方法求解动量方程 和连续性方程的收敛准则为物理量收敛度，其具体表达式如下：
[0016]
[0017] 式中：N表示节点数目，为求解物理量，为物理量的收敛条件，为物理量的收敛度指 标。
[0018] 进一步地，在步骤(6)中，采用BGSM方法求解离散的能量方程，该方法的核屯、就是 在传统G-S迭代的基础上，用更新的变量值来更新同层次的系数和源项。
[0019] 进一步地，步骤(7)中局部协同角和体积积分协同角的计算表达式分别如下：
[0020]
[0021]
[0022] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：（1)考虑矿井空气中含有煤尘及岩尘 对冷却器流动换热特性的影响，使计算结果具有设计优化的实际价值。（2)求解流动特性控 制方程时采用Bi-CGSTAB方法比ADI方法节省CPU时间32.0~77.2%，平均节省时间54.6%， 求解换热特性控制方程时采用BGSM方法比ADI方法节省CPU时间29.2~68.9 %，平均节省时 间49.1%，显著提高了计算速度和设计效率。（3) W局部协同角和体积积分协同角作为溫度 场和速度场协同程度的评判指标，提升了冷却器优化的效率。
【附图说明】
[0023] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体 实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0024] 图1是本发明计算流动换热特性的程序框图。
[0025] 图2a和图化是两排管开缝翅片和=排管平直翅片计算区域示意图。
[00%]图3a和图3b是不同入口风速下采用BI-CGSTAB和传统ADI方法求解速度的收敛特 性。
[0027] 图4是两排管开缝翅片和=排管平直翅片流动特性计算时间比较。
[0028] 图5是两排管开缝翅片和=排管平直翅片换热特性计算时间比较。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明，应理解运些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围。
[0030] 图1是根据本发明一种实施方式的矿井降溫用冷却器流动换热计算方法的流程 图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
[0031] (1)确定流体计算区域，设定换热表面类型W及换热管布置形式，设置翅片、换热 管及强化结构的尺寸参数；
[0032] (2)定义流体、金属材料、煤尘及岩尘的物理属性，所述物理属性具体包括溫度、相 对湿度、导热系数、比热容、粘性系数；
[0033] (3)根据几何拓扑特征，划分区域生成混合网格，并根据网格质量要求调整局部网 格密度分布；
[0034] (4)设置流体及固体区域、密度场和初始条件；
[0035] (5)设定速度边界条件，迭代计算各项系数及源项，求解动量方程和连续性方程W 满足收敛准则，获得速度场和压力场；
[0036] (6)设定溫度边界条件，迭代计算源项及离散项系数，求解能量方程W满足收敛准 贝IJ，获得溫度场；
[0037] (7)计算速度梯度、溫度梯度及协同角，依据场协同原理评判速度与溫度矢量的协 同性。
[0038] 进一步地，在上述步骤（1)中，翅片类型包括平直翅片和波纹翅片，强化结构类型 包括开缝、百叶窗、矩形翼和=角翼，设置的尺寸参数具体包括翅片厚度、翅片间距、波纹翅 片倾角、换热管外径、换热管壁厚、管排数、换热管横向间距、换热管纵向间距、百叶窗间距、 百叶窗倾角、矩形翼高度及长度、S角翼弦高比、翼形攻角。
[0039] 进一步地，在步骤(3)中，选用贴体坐标系进行网格生成，通过调整密度分布对翅 片、换热管壁、矩形翼和=角翼局部区域实施加密。
[0040] 进一步地，在步骤(5)中，采用Krylov子空间法中的Bi-CGSTAB方法求解动量方程 和连续巧方巧的收敛准则为物理量收敛麼，其具体表达式如下：
[0041]
[0042] 式中：N表示节点数目，为求解物理量，为物理量的收敛条件，为物理量的收敛度指 标。
[0043] 进一步地，在步骤(6)中，采用BGSM方法求解离散的能量方程，该方法的核屯、就是 在传统迭代的基础上，用更新的变量值来更新同层次的系数和源项。
[0044] 进一步地，步骤(7)中局部协同角和体积积分协同角的计算表达式分别如下：
[0045]
[0046]
[0047] 下面通过具体实施计算两排管开缝翅片和=排管平直翅片换热结构的流动换热 特性，进一步阐述本发明方法。
[004引如图2所示，给出了两排管开缝翅片和=排管平直翅片换热结构计算区域，其基本 参数如表1所示。为了保证数值计算比较的合理性，流动换热计算中离散格式、收敛标准和 参数设置均相同，翅片材料为侣，换热管材料为铜，换热管布置方式均为叉排，入口流速范 围为0.5~3m/s。
[0049] 亲1兩排管井缝翊片巧二排管平官翊片甚太参擲 [(K)加]
[0051 ] 图3a和图3b分别给出了入口风速为1~3m/s时采用Bi-CGSTAB方法和ADI方法求解 两排管开缝翅片计算区域中某一点(X方向位于第一根管子中屯、处，另外两个方向取中屯、位 置)的X方向U速度的收敛情况，从图上可W看出，随着入口风速的增大，Bi-CGSTAB方法所用 的CPU时间变化较小，而ADI方法所用的CPU时间明显增力日。在相同的入口风速下，采用Bi- CGSTAB方法比ADI方法所需迭代步数更少。
[0052] 图4给出了两排管开缝翅片和=排管平直翅片流动特性计算收敛时间，可W看出， WADI方法所用时间为基准，针对两排管开缝翅片，Bi-CGSTAB方法节省CPU时间64.9~ 77.2%，平均节省71.9 % ;针对S排管平直翅片，采用Bi-CGSTAB方法求解代数方程组比ADI 迭代节省CPU时间32.0~48.0 %，平均节省39.8 %。
[0053] 两排管开缝翅片和=排管平直翅片换热特性计算收敛时间如图5所示，可W看出， WADI迭代时间为基准，针对两排管开缝翅片，BGSM方法比ADI节省CPU时间29.2~64.2%， 平均节省59.1 % ;针对S排管平直翅片，BGSM方法求解所用CPU时间比ADI方法节省47.9~ 68.9%，平均节省58.1%。
【主权项】
1. 一种矿井降温用冷却器流动换热计算方法，其特征在于，所述流动换热计算方法包 括如下具体步骤： (1) 确定流体计算区域，设定换热表面类型以及换热管布置形式，设置翅片、换热管及 强化结构的尺寸参数； (2) 定义流体、金属材料、煤尘及岩尘的物理属性，所述物理属性具体包括温度、相对湿 度、导热系数、比热容、粘性系数； (3) 根据几何拓扑特征，划分区域生成混合网格，并根据网格质量要求调整局部网格密 度分布； (4) 设置流体及固体区域、密度场和初始条件； (5) 设定速度边界条件，迭代计算各项系数及源项，求解动量方程和连续性方程以满足 收敛准则，获得速度场和压力场； (6) 设定温度边界条件，迭代计算源项及离散项系数，求解能量方程以满足收敛准则， 获得温度场； (7) 计算速度梯度、温度梯度及协同角，依据场协同原理评判速度与温度矢量的协同 性。2. 根据权利要求1所述的一种矿井降温用冷却器流动换热计算方法，其特征在于:在步 骤(5)中速度场和压力场代数方程求解采用Krylov子空间法中的Bi-CGSTAB方法，在步骤 (6)中温度场代数方程求解采用BGSM(Based Gauss-Seidel Method)方法。
【文档编号】G06F17/50GK105956305SQ201610312155
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】张京兆
【申请人】西安科技大学