[发明专利]一种印刷电路板式换热器压降及分流均匀性数值计算方法

权利要求书

1.一种印刷电路板式换热器压降及分流均匀性数值计算方法，其特征在于：根据换热器结构建立流动阻力多级模型，采用沿程阻力与局部阻力公式计算各管道多级压降，并根据各管道压降在多级模型中的分布计算芯体各流道内速度分布，最终得到工质经过换热器芯体的整体压降及各流道内流量相对均匀性；

该方法计算对象换热器结构包括一次侧换热板(1)、二次侧换热板(2)、上盖板(3)、下盖板(4)、一次侧入口(5)、一次侧出口(6)、二次侧入口(7)及二次侧出口(8)；其中一次侧换热板(1)与二次侧换热板(2)交替布置，形成叠加方向周期性变化的温度分布，一次侧入口(5)及一次侧出口(6)采用对称设计作为一次侧压力边界，二次侧入口(7)及二次侧出口(8)采用对称设计作为二次侧压力边界；一次侧换热板(1)与二次侧换热板(2)采用半圆形流道；

进行计算时，需已知或能够初步获得以下物性参数：换热器所选结构材料及物性，一次侧与二次侧流体工质设计压力P、一次侧与二次侧流体工质流量Q、一次侧与二次侧流体工质进口温度T₀、一次侧与二次侧流体工质出口温度T_∞；

进行计算时，需已知或能够初步获得以下换热器结构参数：一次侧与二次侧换热板厚度H，一次侧与二次侧换热板流道长度D，一次侧与二次侧流道数N，一次侧与二次侧流道半径r，一次侧与二次侧流道间距d，一次侧与二次侧的换热板层数C，一次侧与二次侧入口管道半径R₀，一次侧与二次侧出口管道半径R_∞，一次侧与二次侧入口管道长度l₀，一次侧与二次侧出口管道长度l_∞，一次侧与二次侧入口腔体长度L₀，一次侧与二次侧出口腔体长度L_∞；

计算方法在描述过程中使用的英文字母及后方数字编号具有以下规则：一次侧与二次侧采用相同方法独立计算，故不对参数进行角标区分，英文字母与其表达的定义为一一对应关系，对于流量Q，下角标₀表示入口或初始值，则Q₀表示入口流量，下角标_∞表示最终值或出口值，则Q_∞表示出口流量；

对于下述步骤中的流动阻力多级模型具有以下规则：对于流动阻力多级模型，压降以ΔP表示，通过后标1～9的数字表示一至九级，并以后标L表示局部阻力，后标F表示沿程阻力；对于芯体流道，以下角标_ij表示，其中模型中轴线流道作为No.0 0流道，No.ij为同层内与No.0 0流道差i个流道间距，层数差j层的流道，其中每层包括一层一次侧换热板，一层二次侧换热板；编号只与间距相关，由于对称性，每个编号存在四条流道，其计算过程与结果相同；

所述数值计算方法具体包括以下步骤：

步骤1，建立流动阻力多级模型：流动阻力多级模型依据工质在换热器内流经截面尺寸变化与流动路线，共分为入口管道阻力、入口管道至入口腔体阻力、入口腔体内阻力、入口腔体至芯体阻力、芯体内阻力、芯体至出口腔体阻力、出口腔体内阻力、出口腔体至出口管道阻力、出口管道阻力九级，一次侧与二次侧各自组成独立的多级模型；对于每级模型，根据阻力类型分为局部阻力和沿程阻力；

步骤2，进行流动阻力多级模型数值计算：数值计算的基本对象为每条流道中流动工质所形成的流管，工质总压降与各流管压降相等，即计算过程中入口段一至四级采用入口温度作为参考温度，换热器芯体五级采用平均温度作为参考温度，出口段六至九级采用出口温度作为参考温度；

其中一级阻力为沿程阻力，ΔP1＝ΔP1L_ij＝λ1L1ρV1²/(2*d_h1)，式中λ1为一级沿程阻力系数，根据工质雷诺数选取对应经验公式计算，L1为一级工质流动路径长度，L1＝l₀，ρ为工质密度，V1为工质一级处流动速度，V1＝Q/πR₀²ρ，d_h为水力直径；

二级阻力为局部阻力，ΔP2＝ΔP2F_ij＝ζ2ρV1²/2，式中ζ2为二级局部阻力系数，ζ2由突阔局部阻力系数经验公式计算；

三级阻力为局部阻力和沿程阻力，ΔP3＝ΔP3L_ij+ΔP3F_ij＝λ3L3_ijρV3²/(2*d_h3)+2*ζ3_ijρV3_ij²/2，式中λ3根据工质雷诺数选取对应经验公式计算，V3＝Q/DCHρ，ζ3由90°标准弯头局部阻力系数经验公式计算；

四级阻力为局部阻力，ΔP4＝ΔP4F_ij＝ζ4ρV5_ij²/2，式中ζ4由突缩局部阻力系数经验公式计算，V5_ij为求解目标，通过后文速度分布方程组计算；

五级阻力为局部阻力和沿程阻力，ΔP5＝ΔP5L_ij+ΔP5F_ij＝λ5L5_ijρV5²/(2*d_h5)+nζ5_ijρV5_ij²/2，式中λ5根据工质雷诺数选取对应经验公式计算，雷诺数中速度项使用V5平均速度，其中L5_ij＝D，n为换热板流道弯头数，ζ5由方形弯头局部阻力系数经验公式计算；

六级阻力为局部阻力，ΔP6＝ΔP6F_ij＝ζ6ρV5_ij²/2，式中ζ6由突阔局部阻力系数经验公式计算；

七级阻力为局部阻力和沿程阻力：ΔP7＝ΔP7L_ij+ΔP7F_ij＝λ7L7_ijρV7²/(2*d_h7)+2*ζ7_ijρV7_ij²/2，式中λ7根据工质雷诺数选取对应经验公式计算，V7＝Q/DCHρ，保守计算ζ7由90°标准弯头局部阻力系数经验公式计算；

八级阻力为局部阻力，ΔP8＝ΔP8F_ij＝ζ8ρV9²/2，ζ8由突缩局部阻力系数经验公式计算；

九级阻力为沿程阻力，ΔP9＝ΔP9L_ij＝λ9L9ρV9²/(2*d_h9)，式中λ9根据工质雷诺数选取对应经验公式计算，L9＝l_∞，V9＝Q/πR_∞²ρ；

建立速度分布方程组：

使用迭代法求解方程组得到ΔP和V5_ij，对V5_ij进行归一化分布计算，结果为芯体分流均匀性。