一种基于RNGk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法

本发明涉及板式换热器，具有涉及一种基于rng k-ε湍流模型的板式换热器仿真方法。

背景技术：

1、板式换热器是一种常用的换热设备，具有结构紧凑、换热效率高等优点，因此在各种冷却系统中被广泛应用。然而，目前对板式换热器的整体仿真仍存在一些技术难题。传统的多孔介质计算方法对于周期性换热器的适用性较差，在不同流量下的误差较大。关联式方法无法适用于不同形状的换热器，并且通过测试平台进行实验需要大量时间和成本。

2、现有技术文献，公告号：cn114896711a，公开了换热器整体性能的仿真方法，首先选取局部结构模型并划分网格；使用不同边界条件对局部结构进行仿真并拟合流速和压降的关系式得到粘性阻力系数1/α1和惯性阻力系数c2-1；简化局部结构模型为多孔介质模型，并修改粘性阻力系数为1/α2，同时修改惯性阻力系数与局部周期性模型压降一致，得到惯性阻力系数c2-2；在1/α2和c2-2条件下修改多孔介质模型的孔隙率与局部周期性模型的温差一致，得到相对孔隙率ε；通过临界re数方法对阻力系数进行修改；划分换热器整体网格，修改1/α、c2和ε并进行仿真。上述技术方案虽然通过修改多孔介质的阻力系数和孔隙率，能够在不同介质下和不同边界条件下进行换热器整体性能的仿真，达到足够的精度，起到简化设计流程、缩短设计周期和减少研发成本的作用。但其技术方案还不够完善。

3、本申请提供一种基于rng k-ε湍流模型的板式换热器性能仿真方法，针对如何解决在不同工况下对板式换热器的压降和换热性能进行计算、并减少仿真过程所耗费的时间，是业界亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于rng k-ε湍流模型的板式换热器性能仿真方法，解决现有技术中压降和换热性能仿真耗时长的问题，

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

3、本发明公开一种基于rng k-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，包括以下步骤：

4、(1)对三维模型进行粗略网格划分，确定冷热侧入口的边界条件，进行初步试算，根据试算结果计算雷诺数re；

5、(2)通过试算结果确定边界层第一层网格的高度范围，选择合适的网格排布，划分精细网格；

6、(3)基于rng k-ε湍流模型，分别计算冷热侧初始场的无量纲数；

7、(4)计算冷热侧流场的湍流强度，确定最终的初始场，通过udf将初始场加载入fluent进行计算；

8、(5)设定多种边界条件对板式换热器的周期结构进行仿真；

9、(6)分别对冷热侧入口流速和出入口压降的关系进行二次形式的拟合，确定各自的粘性阻力系数和惯性阻力系数；

10、(7)通过拟合确定的二次形式，预测各边界条件下的出入口压力降大小以及换热能力。

11、步骤(1)具体包括：

12、(1.1)根据试算结果计算雷诺数re；其计算公式为

13、其中，ρ为流体密度，v为流动特征速度，l为特征尺寸，μ为流体的动力粘度；

14、(1.2)根据雷诺数re计算壁面摩擦系数cf＝0.058re-0.2；

15、(1.3)根据壁面摩擦系数cf计算壁面剪切应力其中，u∞为来流速度；

16、(1.4)根据壁面剪切应力τw计算壁面流速

17、步骤(2)通过试算结果确定边界层第一层网格的高度范围，具体包括：

18、(2.1)令边界层第一层网格高度为y，其计算公式为其中，无量纲壁面高度y+＝30、100，得到边界层第一层网格高度ymin、ymax，即第一层网格高度范围为[ymin，ymax]；

19、(2.2)分别计算冷热侧流体的边界层第一层网格高度范围，选取ymin较小一侧的范围，确定合适的边界层第一层网格高度y。

20、步骤(3)rng k-ε湍流模型，其控制方程为：

21、

22、

23、其中，

24、cμ＝0.0845，αk＝αε＝1.39，cε1＝1.42cε2＝1.68，η0＝4.377，β＝0.012，

25、式中，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，ρ为密度，为速度，μ为动力粘度，pk为层流速度梯度产生的湍流动能，gb为浮力产生的湍流动能，为模型常数，ym为可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动。

26、步骤(4)具体包括：

27、(4.1)分别计算冷热侧流场的无量纲速度u+、无量纲湍流动能k+、无量纲湍流耗散率ε+，定义rng k-ε湍流模型的初始场的方式为：

28、

29、

30、

31、其中，k、ε由下式估算：

32、

33、i为湍流强度，为简化计算，此处取5％；l为湍流尺度，取通板式换热器上下板面高度的0.05倍。

34、步骤(4)具体包括：

35、(4.2)计算冷热侧流场的湍流强度，对各初始场无量纲数进行加权平均计算，并按照加权平均值进行初始化，湍流强度和加权平均计算方式为：

36、i＝0.16re-0.125

37、

38、

39、

40、步骤(6)具体包括：

41、粘性阻力系数c2、惯性阻力系数μα与压降δp的关系为：

42、

43、步骤(6)具体包括：

44、冷热侧入口流速与出入口压降拟合的二次形式为：

45、δp＝av2+bv。

46、二次形式的系数a、b关系为：

47、b＝μαμ

48、则，惯性阻力系数粘性阻力系数

49、本发明的有益效果：本发明基于rng k-ε湍流模型，通过初始化部分物理量与修改板式换热器粘性阻力、惯性阻力的方式对板式换热器进行仿真，起到简化设计流程，缩短设计周期和减少研发成本的作用。

50、为了使本申请的目的、技术方案及优点更加明确清楚，下面结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

技术特征：

1.一种基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

3.根据权利要求1所述的基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)通过试算结果确定边界层第一层网格的高度范围，具体包括：

4.根据权利要求1所述的基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)rngk-ε湍流模型，其控制方程为：

5.根据权利要求1所述的基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

6.根据权利要求5所述基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

7.根据权利要求1所述的基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：

8.根据权利要求7所述的基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：

9.根据权利要求8所述的基于rngk-ε湍流模型的板式换热器仿真方法，其特征在于，二次形式的系数a、b关系为：

技术总结
本发明公开基于RNGk‑ε湍流模型的板式换热器仿真方法，1)对三维模型进行粗略网格划分，确定冷热侧入口的边界条件，进行初步试算，根据试算结果计算雷诺数Re；2)通过试算结果确定边界层第一层网格的高度范围，选择合适的网格排布，划分精细网格；3)基于RNGk‑ε湍流模型，分别计算冷热侧初始场的无量纲数；4)计算冷热侧流场的湍流强度，确定最终的初始场，通过UDF将初始场加载入Fluent进行计算；5)设定多种边界条件对板式换热器的周期结构进行仿真；6)分别对冷热侧入口流速和出入口压降的关系进行二次形式的拟合，确定各自的粘性阻力系数和惯性阻力系数；7)通过拟合确定的二次形式，预测各边界条件下的出入口压力降大小以及换热能力。

技术研发人员：胡嘉栋,袁熙,李耀聪,苏峰华
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15