【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，屬于飛行器熱防護。
技術介紹
1、航空航天技術為現代科學技術發展的前沿，除了要滿足飛得更高、更快的要求，節省運行成本、運載器的可重復使用性也成為未來航空航天飛行器的必然發展趨勢，隨之而來的是一系列關鍵技術問題，其中之一就是熱防護問題。航空航天飛行器的發展速度已經超過了耐高溫材料的發展速度，單純依靠耐高溫材料學科的發展已經不能滿足未來航空航天飛行的設計需求，必須結合主動冷卻技術來提供更高的熱防護能力。發汗冷卻在熱防護效果上表現優異，并且有助于減小壁面摩擦阻力，所以被認為是一種最有希望解決高速飛行器熱防護問題的冷卻技術。由于發汗冷卻實驗研究對設備要求高且內部流場觀測困難，對發汗冷卻過程進行數值模擬是一種重要的研究手段。目前關于發汗冷卻的單相流動傳熱數值模擬方法已經較為成熟，而關于相變發汗冷卻的數值模擬方法較少，特別是通過現有商業軟件無法直接完成相變發汗冷卻非平衡流動傳熱過程的仿真。
技術實現思路
1、本專利技術的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，基于fluent平臺進行二次開發，實現相變發汗冷卻非平衡流動傳熱性能的準確、快速預測，為相變發汗冷卻的工程設計提供支撐。
2、本專利技術的技術解決方案是：一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，包括如下步驟：
3、step?1、為冷卻流體連續性方程中的混合速度u、冷卻流體動量方程中的混合壓強p、冷卻流體能量方
4、step2、對流體飽和度s和流體溫度tf進行初始化賦值；
5、step?3、根據流體溫度tf獲得液相和氣相的物性參數；
6、step?4、根據上一步驟獲得的液相和氣相物性參數以及流體飽和度s，計算混合密度ρ、混合動力粘度μ、對流項系數γ和擴散項系數γh；
7、step?5、為冷卻流體連續性方程、冷卻流體動量方程、冷卻流體能量方程、多孔骨架能量方程賦予邊界條件；
8、step?6、求解冷卻流體連續性方程和冷卻流體動量方程；
9、將冷卻流體能量方程和多孔骨架能量方程中劃分成非穩態項、對流項、擴散項和源項，通過編寫udf函數對上述四項進行表達，加載到fluent中的uds方程中，分別求解冷卻流體能量方程和多孔骨架能量，獲得新的混合速度unew、新的混合壓強pnew、新的混合焓hnew、新的固相溫度ts-new；
10、step7、判斷新的unew、pnew、hnew、ts-new與本次迭代中初始的u、p、h、ts之間的差值，若符合要求即可結束計算，否則將unew、pnew、hnew、ts-new分別賦值給u、p、h、ts，根據h與tf、s之間的關系更新tf、s后，返回step3重新迭代。
11、優選的，通過udf程序編寫函數進行求解，具體為：
12、初始化函數用于初始化飽和度s和流體溫度tf；
13、特性定義函數用于定義并計算流體混合密度ρ、混合動力粘度μ、對流項系數γ和擴散項系數γh；
14、參數調整函數用于每次迭代結束后，調整流體的飽和度s、溫度tf、混合密度ρ、混合動力粘度μ、對流項系數γ和擴散項系數γh；
15、非穩態項定義函數定義并求解流體和多孔骨架能量方程的非穩態項；
16、對流項定義函數用于定義并求解流體能量方程的對流項；
17、擴散項定義函數用于定義并求解流體能量方程的擴散項；
18、熱量交換定義函數用于定義并求解流體和多孔骨架之間的熱量交換；
19、邊界定義函數用于定義多孔骨架能量方程和冷卻流體能量方程的邊界條件。
20、優選的，根據流體溫度tf通過查表或擬合公式的方式求解液相和氣相的物性參數，液相和氣相的物性參數包括：液相密度ρl、氣相密度ρv、液相動力粘度μl、氣相動力粘度μv、液相飽和焓hl、氣相飽和焓hv、汽化潛熱hfg、液相比熱cl和氣相比熱cv。
21、優選的，混合密度ρ、混合動力粘度μ、對流項系數γ和擴散項系數γh的計算方法分別為：
22、ρ＝sρl+(1-s)ρv
23、
24、
25、
26、其中，s為液相飽和度，ρl為液相密度，ρv為氣相密度，krl為液相相對滲透率，μl為液相動力粘度，krv為氣相相對滲透率，μv為氣相動力粘度，λ為液相相對流度，hl為液相飽和焓，hv為氣相飽和焓，kf,eff為流體有效熱導率，tf為流體溫度，h為混合焓，hfg為汽化潛熱，d(s)為毛細擴散系數。
27、優選的，為冷卻流體連續性方程、冷卻流體動量方程、冷卻流體能量方程、多孔骨架能量方程賦予邊界條件，具體為：
28、冷卻流體入口給定速度和溫度值，冷卻流體出口給定壓力值，多孔骨架冷端為絕熱條件，多孔骨架熱端給定熱流密度值。
29、優選的，冷卻流體能量方程為：
30、
31、其中，為冷卻流體能量方程非穩態項，為冷卻流體能量方程對流項，為冷卻流體能量方程擴散項，qsf為源項，表示流固換熱量；
32、ε為孔隙率，t為時間，ρ為混合密度，h為混合焓，γ為對流項系數，u為混合動力粘度，γh為擴散項系數，表示哈密頓算子。
33、優選的，多孔骨架能量方程為：
34、
35、為多孔骨架能量方程非穩態項，為多孔骨架能量方程擴散項，qsf為源項，表示流固換熱量；
36、ε為孔隙率，t為時間，ρs為固相密度，cp,s為固相比熱，kf,eff為固相有效熱導率，ts為固相溫度，表示哈密頓算子。
37、優選的，step?1中通過fluent平臺自帶初始化功能為冷卻流體連續性方程中的混合速度u、冷卻流體動量方程中的混合壓強p、冷卻流體能量方程中的混合焓h、多孔骨架能量方程中的固相溫度ts進行初始化賦值；
38、step?6中通過fluent平臺為冷卻流體連續性方程和冷卻流體動量方程賦予邊界條件，并通過其自帶的流動模型求解冷卻流體連續性方程和冷卻流體動量方程。
39、本專利技術與現有技術相比具有如下優點：
40、(1)本專利技術提出了考慮非平衡效應的相變發汗冷卻熱質傳遞仿真新模型，提升了極端環境下的仿真預測精度，能夠支撐新一代高速飛行器相變發汗冷卻熱防護的精細化設計；
41、(2)本專利技術針對非平衡熱質傳遞新模型，發展了基于fluent平臺二次開發的數值仿真方法，為方案階段的快速迭代奠定了基礎。
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1.一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于包括：
2.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：通過UDF程序編寫函數進行求解，具體為：
3.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：根據流體溫度Tf通過查表或擬合公式的方式求解液相和氣相的物性參數，液相和氣相的物性參數包括：液相密度ρl、氣相密度ρv、液相動力粘度μl、氣相動力粘度μv、液相飽和焓hl、氣相飽和焓hv、汽化潛熱hfg、液相比熱cl和氣相比熱cv。
4.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：混合密度ρ、混合動力粘度μ、對流項系數γ和擴散項系數Γh的計算方法分別為：
5.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：為冷卻流體連續性方程、冷卻流體動量方程、冷卻流體能量方程、多孔骨架能量方程賦予邊界條件，具體為：
6.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：冷卻流體能量方程為
7.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：多孔骨架能量方程為：
8.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：
...【技術特征摘要】
1.一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于包括：
2.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：通過udf程序編寫函數進行求解，具體為：
3.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方法，其特征在于：根據流體溫度tf通過查表或擬合公式的方式求解液相和氣相的物性參數，液相和氣相的物性參數包括：液相密度ρl、氣相密度ρv、液相動力粘度μl、氣相動力粘度μv、液相飽和焓hl、氣相飽和焓hv、汽化潛熱hfg、液相比熱cl和氣相比熱cv。
4.根據權利要求1所述的一種相變發汗冷卻非平衡流動傳熱數值模擬方...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳忠燦，趙民，陳海鵬，鄭小鵬，趙山杉，武健輝，趙月，張升升，李楓，賀淇楝，張凱，徐峰濤，陳銳豪，王小輝，雷建長，陳民，董曉琳，
申請(專利權)人：中國運載火箭技術研究院，
類型：發明
國別省市：
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