一种管网内外传热耦合仿真方法与流程

本发明涉及工程热力学技术领域，具体涉及一种管网内外传热耦合仿真方法。

背景技术：

冬季房间的地暖管网采暖，夏季房间的吊顶管网辐射制冷，节能性、环境舒适度均明显优于传统换热器/供冷方式，在国内外民用建筑行业正在迅速普及。需要利用热流体模拟软件进行计算机仿真，以便对管网铺设及运行控制进行优化设计。

制冷空调、石油化工等行业普遍使用的管式换热器设计和研发，也需要进行内外传热耦合的数值模拟技术。

由于管网长径比、管外空间尺寸和管径尺寸的比例过大，导致传统的模拟方法难以解决计算规模和计算精度之间的矛盾。例如地暖管网的直径通常为D＝20mm，而总长度L为数百m，使长径比L/D达到数万倍，房间的尺寸一般为10～20米，因此房间与管道特征尺寸的比例也有数千倍之多。如果进行管内对流传热与管外空间(地板铺设层及房间)内传热的耦合数值模拟，需要在管网近处生成尺寸比管径更小的细密网格，致使总网格规模达到数百万以上的量级，计算规模和效率不具有工程意义。反之，如果生成的网格过粗，管网形状难以再现，管内换热的计算精度较低，整体的数值模拟精度也难以保证。

目前比较通用的方法是将管内传热和管外传热的模拟分开进行，再通过内外边界上的数据传递进行耦合，又称弱耦合计算。弱耦合计算的手续一般较为繁琐，给程序开发和工程计算造成不便。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种管网内外传热耦合仿真方法，兼顾精度和效率，能够利用适度规模的网格获得较精确的模拟结果，操作简便，不需要一般弱耦合计算那样的数据传递界面。

(二)技术方案

本发明提供了一种管网内外传热耦合仿真方法，包括：建模步骤：建立管网模型，生成管网节点；网格化步骤：对管网所在的计算空间进行网格划分，生成计算网格；匹配步骤：将所述管网节点与计算网格进行匹配；管网内传热计算步骤：基于所述管网节点与计算网格的匹配关系，进行管网内传热计算；管外热流体模拟计算步骤：将管网作为局部热源，利用内外换热量进行管外空间热流体模拟计算；数据耦合精度判别步骤：判断数据耦合精度是否达到要求，若精度未达到要求，重复上述管网内传热计算步骤和管外热流体模拟计算步骤，直至精度达到要求，实现管网内外传热的数据耦合。

优选地，在所述建模步骤中，沿管道的轴线将管道划分为多个管段，每个管段由处于管道中心线上的节点表示，并按照管道内流体的流动方向将节点排序。

优选地，在所述网格化步骤中，所述计算网格的生成与管网形状无关，且对管网附近的计算网格进行局部加密。

优选地，在所述匹配步骤中，通过坐标搜索与管网节点匹配的计算网格，并记录匹配的计算网格数和匹配的计算网格总体积。

优选地，如果计算网格的中心与节点的距离小于或等于管道半径，则认为该计算网格与节点匹配，否则认为计算网格不匹配。

优选地，在所述管网内传热计算步骤中，由节点处的管道内流体温度和当前时间点的管壁外温度，计算内外换热热流密度；由内外换热热流密度得到内外换热量；由内外换热量求出下一个节点处管道内流体温度；不断重复上述步骤，得到所有节点的内外换热量。

优选地，在所述管外热流体模拟计算步骤中，由节点的内外换热量计算分配给节点各个匹配计算网格的热量；基于节点各个匹配计算网格的热量，进行管外空间热流体模拟，求解能量控制方程，得到下一个时间点的管壁外温度。

优选地，在所述数据耦合精度判别步骤中，判断当前时间点与下一时间点的管壁外温度差是否达到门限值，若否，则将下一时间点的管壁外温度返回管网内传热计算步骤，重复管网内传热计算步骤和管外热流体模拟计算步骤，直至精度达到要求，实现管网内外传热的数据耦合。

优选地，所述管网是圆形管或椭圆扁管；流体为水、制冷剂或热油。

优选地，管网模型为二维网络或三维网格。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的管网内外传热耦合仿真方法具有以下有益效果：

本发明的管网内外传热耦合仿真方法，无需弱耦合计算的数据传递界面，操作简便，能够获得精确的仿真结果。计算空间的网格规模适度，网格的划分与管网形状无关，降低了仿真方法的复杂度，兼顾了运算效率与精度。管网附近区域的计算网格的密度可大于其他区域的网格密度，提高了仿真精度。

附图说明

图1为本发明实施例的管网内外传热耦合仿真方法流程图；

图2为本发明实施例的管网模型示意图；

图3为本发明实施例的计算网格和节点匹配关系示意图；

图4为本发明实施例的管网内外传热的数据耦合流程图；

图5为本发明实施例的管网和房间结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见图1，本发明实施例的一种管网内外传热耦合仿真方法，在本方法中，首先是建模步骤：建立管网模型，生成管网节点。

作为仿真对象的管网是由管道排布而成的网状结构，在该步骤中，沿管道的轴线，将管道划分为多个管段，每个管段由处于管道中心线上的节点表示，并按照管道内流体的流动方向将节点排序。例如在图2中，管道蛇形排布形成管网，管道被分为N个管段，每个节点代表一个管段，沿流体流动方向将节点排序为1、2、...、N，N大于等于2的自然数。

其次是网格化步骤：对管网所在的计算空间进行网格划分，生成计算网格。

在本步骤中，参见图3，计算空间的网格划分无需考虑管道的形状和位置，即不需要根据管网的形状划分网格，计算网格的生成与管网形状无关，这样网格划分更加简单快捷，降低了仿真方法的复杂度。另外，可以对管网附近的计算网格进行局部加密，管网附近区域的计算网格的密度可以大于其他区域的网格密度，以提高仿真精度。计算空间可以是管网所在的整个房间，即房间围成的空间区域，如图5显示了管网和房间结构示意图。

然后是匹配步骤：将管网节点与计算网格进行匹配。

针对每个管网节点，通过坐标搜索与其匹配的计算网格，并记录匹配的计算网格数和匹配的计算网格总体积。

管网节点与计算网格的匹配标准可以根据需要设定，例如可以以管径作为判断标准，如果计算网格的中心与节点的距离小于或等于管道半径，则认为该计算网格与节点匹配，否则认为计算网格远离节点，二者不匹配。

接着是管网内传热计算步骤：基于管网节点与计算网格的匹配关系，进行管网内传热计算。

在管网内传热计算中，首先，由节点处的管道内流体温度和当前时间点的管壁外温度，计算内外换热热流密度：

q_i＝k[T_f(i)-T_w] (1)

其中，i表示第i个节点；q_i表示第i个节点处的内外换热热流密度；k表示从管内到管外的总传热系数，其考虑了管内对流换热和管壁到热的作用；T_f(i)表示第i个节点处管道内流体温度；T_w表示当前时间点的管壁外温度；T_f(i)和T_w的初始值可以人工设定。

其次，由内外换热热流密度得到内外换热量：

Q_i＝A_sq_i (2)

A_s＝πDΔ1 (3)

其中，A_s表示第i个节点的管段的管表面积；Δ1表示第i个节点的管段长度；D表示第i个节点的管段直径。

然后，根据能量守恒，流体在第i个节点管段供应上述内外换热量后温度降低，于是可求出下游流体温度，即第i+1个节点处管道内流体温度：

T_f(i+1)＝T_f(i)-2q_i/ρc_pUr (4)

其中，T_f(i+1)表示第i+1个节点处管道内流体温度；ρ、c_p、Ur分别表示水的密度、比热容和流速；对于地面采暖，管内热水放热，内外换热量Q为负值，下游水温降低，对于吊顶制冷，管内冷水吸热，内外换热量Q为负值，下游水温升高。

将公式(4)得到的第i+1个节点处管道内流体温度代入公式(1)，并不断重复公式(1)-(4)，得到所有节点的内外换热量。

之后是管外热流体模拟计算步骤：在管网内传热计算完成后，将管网作为局部热源，利用内外换热量进行管外空间热流体模拟计算。

首先，由节点的内外换热量计算分配给节点各个匹配计算网格的热量。

内外换热量Q通过管壁传给管外介质(地暖铺设层或空气)，由于本方法不存在实际的管壁界面，需要将内外换热量转换为体积热源，再分配给与管网节点匹配的计算网格，即：

divQ_i＝Q_i/ΔV_i (5)

其中，Q_i表示第i个节点的内外换热量；ΔV_i是与第i个节点匹配的计算网格的总体积，分配给各个匹配计算网格的热量为该计算网格的体积与divQ_i的乘积。

然后，基于节点各个匹配计算网格的热量，进行管外空间热流体模拟，求解能量控制方程，得到下一个时间点的管壁外温度T’_w。

最后判断数据耦合精度是否达到要求，例如当前时间点与下一时间点的管壁外温度差T’_w-T_w是否达到门限值，若精度未达到要求，则将管壁外温度T’_w代入公式(1)，返回管网内传热计算步骤，重复管网内传热计算步骤和管外热流体模拟计算步骤，直至精度达到要求，实现管网内外传热的数据耦合，数据耦合的流程可以参见图4所示。

本发明的管网内外传热耦合仿真方法，无需弱耦合计算的数据传递界面，操作简便，能够获得精确的仿真结果。计算空间的网格划分与管网形状无关，降低了仿真方法的复杂度，管网附近区域的计算网格的密度大于其他区域的网格密度，提高了仿真精度。

本方法已成功用于地暖管网采暖模拟，管网和房间结构与模拟结果如图5所示。在本方法中，管网可以是圆形管，也可以是椭圆扁管或其它形状的管。流体也不限于水，可以是制冷剂、热油或其它工质。在上述实施例中，管网模型为一维网格，即仅沿管道轴线对管道进行网格化；但本发明的管网模型也可以采用二维网络或三维网格。在二维网格中，沿管道轴线和径向对管道进行网格化，在三维网格中，沿管道轴线、径向和切向(即管截面周向)对管道进行网格化，然后再进行管网内外传热的数据耦合计算。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的管网内外传热耦合仿真方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。