[发明专利]基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法

权利要求书

1.一种基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于包括：

S1、建立非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维几何模型；

S2、对非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维几何模型进行网格划分；

S3、选择模型模拟流动传热、换热管外蒸发及管内冷凝，并设置边界条件及初始条件，计算并得出非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维耦合相变换热模型的温度分布和相变云图，统计壁温、流速，得出换热功率；包括：

S3.1、在Fluent软件中，选择以下计算模型选择模型模拟流动传热、换热管外蒸发及管内冷凝：

S3.1.1多相流模型

采用VOF模型计算多项流动，该模型采用欧拉-欧拉方法，其中各流体都被视为连续介质；

在VOF模型中各组分流体共享一组守恒方程，即Navier-Stokes方程，将以上瞬态流动方程组在时间上取平均，并以时均值作为自变量，得到雷诺平均Navier-Stokes方程组：

上式中，ρ为密度；为雷诺平均速度；S_M为源项；P为压强；u_i'为雷诺脉动速度；μ为动力粘度；S_F,i为动量源项；E为单位质量总能量；τ_ij为粘性应力；q_j传导热流量；S_E为能量源项；

S3.1.2k－ε湍流模型

本计算方法采用k－ε湍流模型及传热模型模拟换热管外掺混及热分层，

上列各式中：μ_turb为湍流粘度；为雷诺平均速度；ρ为密度；k为湍流动能；C_1ε、C_2ε、σ_k和σ_ε为标准k-ε模型常数；ε为湍流动能粘性扩散；

S3.1.3自定义函数UDF

UDF和FLUENT动态链接，采用UDF描述蒸发和冷凝速率，水的源项以及能量源项，各源项所采取的公式如下：

上式中，β为相变时间松弛因子(s^-1)；α_v、α_l分别为气液两相的体积分数；ρ_v、ρ_l分别为气液两相的密度；T为当前温度；T_sat为当前压强下的饱和温度；r为气化潜热；

S3.2、边界条件设置

水箱上部设置为压力出口，其值为一个大气压，换热器进口为速度进口，其值为v＝-0.00025355t+1.6666，其中0≤t≤5360s，出口设置为压力出口，其值为3.7MPa；水箱壁面为绝热壁面，换热管设置导热系数，其值为17W/(m℃)，始化水箱内水体积分数为100％；

S4、改变非能动余热排出冷凝器在冷却水箱中的相对位置，根据上述步骤得出最大换热功率的位置，选取该位置为最优布置位置。

2.根据权利要求1所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于所述步骤S1包括：

S1.1、根据冷却水箱模型尺寸采用CATIA软件建立1:1冷却水箱实际三维模型，所述冷却水箱为长方体，所述冷却水箱实际三维模型的参数包括：长度、宽度、高度、和水箱内冷却淡水液位；

S1.2、在冷却水箱中相应位置采用CATIA软件建立非能动余热排出冷凝器实际三维模型。

3.根据权利要求2所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于：所述非能动余热排出冷凝器为“C”型结构的换热管，换热管参数包括尺寸规格、有效长度、以及换热管根数。

4.根据权利要求3所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于所述步骤S2包括：

利用ICEM软件将非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维几何模型分为三个区域，一区为换热管内部，二区为换热管壁及封头，三区为水箱流体域；细化非能动余热排出冷凝器换热管和管板连接处网格；设置一区、三区为流体域，二区为结构域；采用四面体和六面体网格类型得到网格数目。

5.根据权利要求4所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于所述步骤S4包括：

通过Fluent获得温度分布云图及壁面温度、流体流速、各相体积分数云图，再通过Fluent的后处理功能得到定量化的换热功率数值；调整非能动余热排出冷凝器分别向左或向右移动一定距离，重复步骤S1、S2和S3，计算非能动余热排出冷凝器换热功率，直至得出换热器最大热功率，并选取此时的位置为最佳布置位置。