[发明专利]基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法

权利要求书

1.基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：建立如用于计算二维冰柱相界面对流换热系数的物理模型并作如下假设：1)冰柱导热系数λ、冰柱的密度ρ_s、以及冰柱的定压比热c_ps是常数；2)冰柱的轴向导热相对冰柱的径向导热忽略不计；3)融化后的冰被水流及时带走；

步骤2：根据冰柱的密度ρ_s、某计算时刻强迫对流和冰柱相界面垂直中心线的浮升力方向之间的夹角θ对应的冰柱体积以及所述夹角θ对应的冰柱表面积，确定所述夹角θ对应的冰柱单位表面积的局部质量融化速率m″(θ)；

步骤3：计算传导到冰柱中的总传热量Q_s，并根据Q_s确定所述θ角处的导热热流密度q_s(θ)；

步骤4：根据所述θ角处对应的冰柱单位表面积的局部质量融化速率和所述θ角处的导热热流密度，计算所述θ角处的局部对流换热系数；

步骤5：通过测量冰柱体积随时间的变化来确定总的质量融化速率；

步骤6：根据总传热量和总的质量融化速率计算冰柱相界面的平均对流换热系数。

2.根据权利要求1所述的基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，其特征在于，所述用于计算二维冰柱相界面对流换热系数的物理模型为：根据冰柱初始半径H及某计算时刻相界面位置H₁，在冰柱相界面上以初始冰柱相界面的圆心为坐标原点、相界面的水平中心线为横轴及相界面的垂直中心线为纵轴建立坐标系；并定义冰柱相界面沿冰柱径向的坐标为R、某计算时刻强迫对流和冰柱相界面垂直中心线的浮升力方向之间的夹角为θ、所述夹角θ范围内冰柱融化的体积为dV、冰柱融化的半径为dR。

3.根据权利要求1所述的基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，其特征在于，所述夹角θ对应的冰柱单位表面积的局部质量融化速率m″(θ)的计算公式为：

上式中，R为冰柱相界面沿冰柱径向的坐标，ρ_s为冰柱的密度，dV(θ)为所述夹角θ范围内冰柱融化的体积，ΔA_s(θ)是所述夹角θ对应的冰柱表面积。

4.根据权利要求1所述的基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，其特征在于，所述θ角处局部对流换热系数的计算公式为：

上式中，h(θ)是所述θ角处的局部对流换热系数；T_l∞为水流温度；T_m为冰柱融化温度；m″(θ)为所述夹角θ对应的冰柱单位表面积的局部质量融化速率；L为相变潜热；q_s(θ)为所述θ角处的导热热流密度。

5.根据权利要求1所述的基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，其特征在于，所述冰柱相界面的平均对流换热系数的计算公式为：

上式中，V_s为冰柱体积；A_s为冰柱表面积；L为相变潜热；为冰柱平均内部温度；T_l∞为水流温度；T_m为冰柱融化温度。

6.根据权利要求5所述的基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，其特征在于，所述冰柱平均内部温度的求解方法包括如下步骤：

步骤6.1：以冰柱底面中心点为原点，冰柱相界面沿径向坐标为R，以冰柱轴线方向为纵轴表示温度的变化，T_l∞为水流温度，h为对流换热系数，T₀为冰柱初始温度，T_m为冰柱融化温度，其中T₀＜T_m，建立求解冰柱内部温度场的物理模型；

步骤6.2：根据上述冰柱内部温度场物理模型建立的坐标系，采用三次热平衡积分法求解冰柱内部温度场，进而确定冰柱平均内部温度。