[发明专利]三相传热相变过程的模拟方法

说明书

本发明公开了一种三相传热相变过程的模拟方法。其中，方法包括：确定预设三相区域的初始条件和边界条件；确定初始时间、计算时间步长和计算结束时间；利用有限体积法对预设的偏微分方程进行离散化得到代数方程；其中，所述偏微分方程中的液相体积分数表示为温度的连续函数；在所述初始条件和所述边界条件下，基于所述初始时间、所述计算时间步长和所述计算结束时间，对所述代数方程进行迭代求解，当迭代求解结果达到预设的迭代精度时，停止所述迭代求解过程，获得迭代求解结果；基于所述迭代求解结果，模拟所述预设三相区域的三相传热相变过程。本发明方案将液相体积分数用温度的连续函数表示，能提高求解速度，加快了三相传热相变的模拟过程。

技术领域

本发明涉及气液固三相的流动传热技术领域，尤其涉及一种三相传热相变过程的模拟方法。

背景技术

低温雨雪冰冻灾害的发生会在电力、通信、交通和农业等多个领域对人民的生产生活带来严重危害，给人民的财产造成重大损失。在低温雨雪冰冻天气中，低温高湿度的空气中存在着大量的过冷水滴，在风的作用下过冷水滴产生运动，碰撞在物体冷表面后被捕获冻结成冰，这一现象会导致地面、屋顶以及各种裸露在户外的公共设施等产生覆冰，因此研究水滴撞击在固体冷表面而冻结的现象具有重要的意义。

液滴的碰撞和相变是一个运动和传热相变耦合的复杂现象，属于气-液-固三相流的流动传热问题。其中，空气-水之间的气液界面和水-冰之间的液固界面都是随时间变化的，因此要在模拟中确定这些界面需要解决″移动边界″或″自由边界″问题。涉及到的气液两相流的″自由边界″问题，通常采用VOF方法、格子玻尔兹曼方法、level-set等方法对自由界面进行追踪。涉及到的液固相变界面的移动问题即Stefan问题，由于在相变界面上具有非线性形式的能量守恒方程，一般情况下很难得到解析解，因此针对这一问题产生了许多数值解法，如焓方法、有限差分法、有限元法等。其中，焓方法是在整个区域包括液相、固相和两相界面建立一个统一的能量方程，利用数值方法求出焓值分布，然后确定两相界面，该方法具有方法简单、灵活方便、容易扩展到多维情况等优点，因而被广泛应用于液固相变问题的数值求解中。

但现有技术中，通过焓方法求解液固相变界面的″移动边界″问题，尚存在求解速度较慢的技术问题，无法快速完成三相传热相变的模拟过程。

发明内容

为解决液固相变界面的边界求解速度较慢、三相传热相变的模拟过程完成较慢的技术问题，本发明实施例提供一种三相传热相变过程的模拟方法。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种三相传热相变过程的模拟方法，方法包括：

确定预设三相区域的初始条件和边界条件；

确定初始时间、计算时间步长和计算结束时间；

利用有限体积法对预设的偏微分方程进行离散化得到代数方程；其中，所述偏微分方程中的液相体积分数表示为温度的连续函数；

在所述初始条件和所述边界条件下，基于所述初始时间、所述计算时间步长和所述计算结束时间，对所述代数方程进行迭代求解，当迭代求解结果达到预设的迭代精度时，停止所述迭代求解过程，获得迭代求解结果；

基于所述迭代求解结果，模拟所述预设三相区域的三相传热相变过程。

上述方案中，所述偏微分方程包括不可压缩两相流的连续性方程、不可压缩两相流的动量方程、不混溶不可压缩两相流之间的自由界面方程和气液固三相的连续相变能量方程。

上述方案中，可以通过如下公式(1)表示所述不可压缩两相流的连续性方程：

其中，表示速度矢量。

上述方案中，可以通过如下公式(2)表示所述不可压缩两相流的动量方程：