[发明专利]一种管网内外传热耦合仿真方法

说明书

本发明提供了一种管网内外传热耦合仿真方法，生成管网节点，对管网所在的计算空间进行网格划分，将管网节点与计算网格进行匹配，并进行管网内传热计算，然后利用内外换热量进行管外空间热流体模拟计算，数据耦合精度达到要求时，实现管网内外传热的数据耦合。本发明解决了房间与管道特征尺寸比例过大带来的计算网格规模与计算精度之间的矛盾，且无需弱耦合计算的繁琐数据传递手续，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；通过坐标搜索使每个管网节点与计算网格进行匹配，并通过壁温和热流进行管内外传热的耦合计算。

技术领域

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。

发明内容

(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。