【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及用于熱交換器的數(shù)值模擬的計算機(jī)實現(xiàn)的方法。本專利技術(shù)的特征在于使用包括多個基本體積(volume)的數(shù)值模型，使得它們?nèi)繉?yīng)于相同的配置，使得所有基本體積的連結(jié)再現(xiàn)了在第一流體與第二流體(分別為熱流體與冷流體)之間發(fā)生熱傳遞的體積。在模擬熱交換器的行為之前，對參考體積進(jìn)行多個cfd(計算流體動力學(xué))模擬，該參考體積也具有基本體積的配置。這些多個模擬在不同的流動條件下進(jìn)行，以便對輸入變量的整個可能空間進(jìn)行采樣，并且確定該體積中的感興趣的變量。利用插值技術(shù)的該組模擬允許在任何輸入條件下確定基本體積的行為，而不必對基本體積重新運行cfd模擬，因為這在計算上是昂貴的。該模擬方法在該組基本體積上建立迭代方法，使得使用由插值模塊提供的數(shù)據(jù)來更新每個體積的相關(guān)變量，而不需要對流運行經(jīng)典模擬。在該模擬中，考慮到通過基本體積的邊界之一的任何流量的流出是在公共邊界處的相鄰基本體積的流入。結(jié)果是針對預(yù)定操作條件評估熱交換器的整個體積中的感興趣的變量，而不需要對熱交換器的整個體積進(jìn)行完整模擬，并且不需要以這樣的模擬所需的尺度進(jìn)行。
技術(shù)介紹
1、技術(shù)發(fā)展的最重要的領(lǐng)域之一是熱交換。
2、在具有環(huán)境影響的所有方面中的日益嚴(yán)格的規(guī)定已經(jīng)迫使還基于某種碳?xì)浠衔锏娜紵膬?nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)在更高的溫度下工作以便更高效。
3、廢氣攜帶的熱在許多應(yīng)用中必須在越來越小的空間中傳遞至另一流體。冷卻器、發(fā)電過程中將熱傳遞至隨后被渦輪增壓的流體的提取階段或者提供蘭金循環(huán)的提取階段都是這種情況。
4、在另一情況下并且在本專利技
5、該熱交換器位于空間非常有限的地方，并且熱空氣的溫度甚至可能高于500℃，使用冷風(fēng)扇空氣將其冷卻至200℃。經(jīng)冷卻的引氣被供應(yīng)至機(jī)艙組件和機(jī)翼防冰系統(tǒng)，僅舉幾個應(yīng)用。
6、這些要求需要熱傳遞在非常小的體積內(nèi)進(jìn)行，因此需要以非常有效的傳遞機(jī)制進(jìn)行。
7、提高熱傳遞效率涉及使用具有復(fù)雜和彎曲形狀的各種配置的耗散翅片，以增加熱交換表面面積相對于體積的密度。
8、雖然這是可能的，但是考慮到設(shè)計，確定其實際效率和性能具有兩種替選方案。第一替選方案是建立物理原型來評估其在操作條件下的行為。目前，在設(shè)計演進(jìn)過程中針對每個測試構(gòu)建原型使得該替選方案在成本和時間方面都不可行。
9、目前，使用計算技術(shù)特別是cfd技術(shù)對這種類型的設(shè)計進(jìn)行評估，以模擬每個原型的行為，從而加速設(shè)計過程，因為原型取代了代碼驗證過程通過時模擬的物理實體。
10、cfd計算技術(shù)的示例是有限元方法、有限體積方法、有限差分技術(shù)或者甚至譜方法。
11、然而，即使是第二替選方案也具有其局限性。上面確定的非常高的要求致使幾何形狀包括非常復(fù)雜且小的體積和導(dǎo)管，兩種流體通過所述體積和導(dǎo)管在非常高的雷諾狀態(tài)下循環(huán)。對這些條件的正確模擬要求使用非常密集的網(wǎng)格和非常高數(shù)目的節(jié)點進(jìn)行離散化(discretization)，例如使用有限元方法或有限體積方法進(jìn)行離散化。
12、由于雷諾數(shù)也非常高，因此湍流狀態(tài)建立了要求解的非常不同的尺度范圍，這迫使使用非常復(fù)雜的湍流模型或者甚至更精細(xì)的離散化網(wǎng)格。
13、例如，當(dāng)前操作條件下的典型熱交換器用例甚至可能需要模擬，該模擬需要使用非常強大的計算機(jī)進(jìn)行一年半的計算。在這些條件下，模擬也是不可行的。
14、用于降低計算成本的常用技術(shù)基于網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)，其中節(jié)點的最高密度例如集中在某些變量的梯度或變化更相關(guān)的地方。
15、該相同技術(shù)允許這些強烈變化不存在的那些區(qū)域，節(jié)點的密度較低，并且計算成本也較低。
16、然而，當(dāng)復(fù)雜的幾何形狀在整個體積中是復(fù)雜的時(如在這種情況下)，為了促進(jìn)整個體積中盡可能高的熱傳遞，網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)對具有很少變化的自由區(qū)域不起作用，因為強烈變化存在于整個域中。
17、還存在用于求解由給定離散化引起的數(shù)值問題的收斂加速技術(shù)。示例是多重網(wǎng)格技術(shù)。然而，雖然求解器極大地加速了收斂，但是這些技術(shù)需要維護(hù)與更精細(xì)網(wǎng)格相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且另外，還需要包括多個越來越粗的網(wǎng)格以求解與長尺度相關(guān)聯(lián)的誤差。
18、本專利技術(shù)的目的是如下計算方法，該計算方法改變了表示確定熱交換器的行為的相關(guān)變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被構(gòu)建的方式并且還改變了分辨率的模式。特別地，所提出的方法不需要建立整個域的精細(xì)離散化，并且因此極大地降低了兩種計算資源(內(nèi)存量和cpu時間)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的第一方面是一種用于熱交換器的數(shù)值模擬的計算機(jī)實現(xiàn)的方法。特別地，本專利技術(shù)的該方面對于確定飛行器的引氣熱交換器的熱變量非常有用，其中規(guī)范非常嚴(yán)苛。
2、來自飛行器的渦輪發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)的高壓級或中間級的熱流的入口處于非常高的溫度，在出口導(dǎo)管中甚至約為600攝氏度。相比之下，飛行器在巡航高度處飛行時的外部空氣可以達(dá)到零下60攝氏度或甚至更低。
3、需要降低入口熱空氣的溫度，以將具有合適溫度的該空氣分配至機(jī)艙的不同部分，而不需要加熱直接從大氣中獲取的空氣。
4、熱交換必須在非常小的空間內(nèi)進(jìn)行，因此熱交換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須非常有效。高效結(jié)構(gòu)包括熱流體與冷流體之間的非常高數(shù)目的通道和隔開表面，使得使用標(biāo)準(zhǔn)計算流體動力學(xué)(cfd)技術(shù)進(jìn)行模擬需要非常精細(xì)的網(wǎng)格。非常精細(xì)的網(wǎng)格對計算資源特別是內(nèi)存和計算時間提出了非常高的要求。據(jù)估計，針對交換器(例如，具體描述的交換器)的足夠精細(xì)的離散化目前在強大的計算機(jī)上可能需要約兩年的計算時間，即完全無法負(fù)擔(dān)的時間。
5、相反，根據(jù)本專利技術(shù)的第一方面，所提出的方法需要非常少的計算資源，因為存儲需求少得多，并且最重要的是，計算時間極其少，能夠以類似的準(zhǔn)確度用小時量級的計算時間來執(zhí)行對相同交換器的模擬。
6、根據(jù)示例，模擬方法的輸入數(shù)據(jù)來自熱氣流(來自壓縮機(jī))和冷空氣流(來自大氣)的真實條件下的測量，使得模擬提供熱交換器出口處的最相關(guān)的值。例如，最有用的參數(shù)是壓力下降、出口溫度和質(zhì)量流率。這些參數(shù)又可以用作制動器的輸入，制動器根據(jù)輸出變量建立其他設(shè)備的特定行為。
7、根據(jù)另一示例，輸出變量用于通過使規(guī)格適應(yīng)所需規(guī)格來修改熱交換器的設(shè)計。
8、特別地：
9、-熱交換器被配置成在第一流體與第二流體之間交換熱，第一流體是熱流體，并且第二流體是冷流體；
10、-熱交換器包括用于第一流體的第一輸入端口和第一輸出端口以及用于第二流體的第二輸入端口和第二輸出端口；
11、-熱交換器包括熱交換體積，該熱交換體積包括將第一流體與第二流體隔開并且用于在兩種流體之間交換熱的熱交換壁。
12、因此，熱交換器具有用于第一流體的入口端口和出口端口，并且還具有用于第二流體的入口端口和出口端口。兩種流體在熱交換器本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種用于熱交換器(1)的數(shù)值模擬的計算機(jī)實現(xiàn)的方法，其中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成數(shù)值模型包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在基本體積(EV)上迭代，每次迭代包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，基本體積(EV)的熱交換壁(1.6)的部分(1.6.1)的溫度(Tw)的初始值是其中，是所述第一流體(fh)的入口邊界區(qū)域(EVIh)處的溫度，并且是所述第二流體(fc)的入口邊界區(qū)域(EVIc)處的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3至4中任一項所述的方法，其中，
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的方法，其中，如果Qh＞Qc，則熱交換壁(1.6)的部分(1.6.1)的溫度(Tw)的值被更新為遞增值e，并且如果Qh＜Qc，則熱交換壁(1.6)的部分(1.6.1)的溫度(Tw)的值被更新為遞減所述值e，其中，e是根據(jù)當(dāng)前迭代的值的熱傳遞與最大熱傳遞之間的比率；所述比率優(yōu)選地被估計為：
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，至少針對所述第一流體(fh)的輸入端口(1.1)處的
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，一組基本體積(EV)以如下方式移位：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，迭代方法也在所述移位的基本體積(EV)上執(zhí)行。
10.一種包括指令的計算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)由計算機(jī)執(zhí)行程序時，所述指令使所述計算機(jī)執(zhí)行根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法的步驟。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于熱交換器(1)的數(shù)值模擬的計算機(jī)實現(xiàn)的方法，其中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成數(shù)值模型包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在基本體積(ev)上迭代，每次迭代包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，基本體積(ev)的熱交換壁(1.6)的部分(1.6.1)的溫度(tw)的初始值是其中，是所述第一流體(fh)的入口邊界區(qū)域(evih)處的溫度，并且是所述第二流體(fc)的入口邊界區(qū)域(evic)處的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3至4中任一項所述的方法，其中，
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的方法，其中，如果qh＞qc，則熱交換壁(1.6)的部分(1.6.1)的溫度(tw)的值被更新為遞增值e，并且如果qh＜qc，則熱交換壁(...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：胡安·帕斯夸爾·帕斯夸爾，烏梅石·庫馬爾辛格·S，
申請(專利權(quán))人：空中客車西班牙有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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