一种微重力下伴有空穴的高温相变蓄热数值模拟方法

摘要

本发明提供一种微重力条件下伴有空穴的高温相变蓄热数值模拟方法，在同时考虑相变、空穴及辐射的条件下，对复杂的相变传热问题进行数值计算，使得技术人员利用计算机便可获取现场高温蓄热容器内固/液相变材料熔化率的变化及相变时流场、温度场、液相分布，从而为优化蓄热容器设计、抑制空穴、提高蓄热效率及减少“热斑”和“热松脱”现象提供重要的参考依据。本发明方法通过基于焓法、有限控制容积法的计算程序，使得微重力条件下伴有空穴的高温蓄热容器内的熔化/凝固这一复杂的相变问题得到了简便、高效的解决，具有重要的实用价值。

主权项

一种微重力条件下伴有空穴的高温蓄热容器内固/液相变数值模拟方法，其特征在于，所述数值模拟方法包括如下具体步骤：(1)依据高温蓄热容器的几何模型划分液体及固体计算区域，使用三角形非结构化网格对上述计算区域进行网格划分；(2)定义操作条件：R向受重力作用，参考压力为一个大气压；定义基于BOUSSINESQ假设的自然对流模型；(3)定义非稳态熔化/凝固模型，定义离散坐标辐射模型；(4)定义相变材料在气、固、液三相下的材料属性，所述材料属性具体包括密度、比热容、导热率、粘度、熔化热、液相线及固相线温度、吸收率和发射率；(5)建立如下的偏微分能量控制方程组： ∂ ( ρe ) ∂ t + ∂ ( ρue ) ∂ z + 1 r ∂ ( rρve ) ∂ r = k ▿ 2 T - - - ( 1 ) 式中：e为比焓，J/kg；ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；T为温度，K；u，v分别为z方向、r方向的速度分量；式中以比焓e的形式把相变材料相变的影响考虑进去，因而，该表达式适用于整个求解区域；比焓e与温度T的关系式可表示成如下的形式： T = T m + e / c , e ≤ 0 T m , 0 < e < Δ H m T m + ( e - Δ H m ) / c , e ≥ Δ H m - - - ( 2 ) 式中：Tm为相变温度，K；ΔHm为物质单位质量的相变潜热，J/kg；(6)定义边界条件：定义高温蓄热容器的内壁为第二类传热边界即热流边界，外壁和侧壁为绝热边界，其它壁面为流/固耦合边界；其中，所述热流边界为周期性热流边界，设定日照期为54min，阴影期为36min，写入周期性热流自定义函数，其中：a)日照期热流密度qsun具体的函数关系如下：qsun＝15424‑24.88(Twall‑1020)，W/m2；b)阴影期热流密度qshadow具体的函数关系如下：qshadow＝‑12314‑24.88(Twall‑1020)，W/m2；其中，Twall为高温蓄热容器的内壁温度；(7)定义初始条件：对整个计算区域进行初始化，设定初始温度及初始速度；(8)设定监视相变材料温度场及液相分数分布，设定监视相变材料熔化率变化；(9)对步骤(5)中的偏微分能量控制方程进行离散化，并利用步骤(6)、(7)定义的边界条件和初始条件进行封闭和求解；(10)对整个计算区域初始化，设定时间步长及迭代次数，对计算区域内的代数方程组反复进行迭代计算，直到满足所设定的迭代精度为止，完成微重力下伴有空穴的高温蓄热容器内固/液相变数值模拟；(11)对计算结果进行后处理，绘制出云图及相关曲线。