【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，属于飞行器热防护。
技术介绍
1、航空航天技术为现代科学技术发展的前沿，除了要满足飞得更高、更快的要求，节省运行成本、运载器的可重复使用性也成为未来航空航天飞行器的必然发展趋势，随之而来的是一系列关键技术问题，其中之一就是热防护问题。航空航天飞行器的发展速度已经超过了耐高温材料的发展速度，单纯依靠耐高温材料学科的发展已经不能满足未来航空航天飞行的设计需求，必须结合主动冷却技术来提供更高的热防护能力。发汗冷却在热防护效果上表现优异，并且有助于减小壁面摩擦阻力，所以被认为是一种最有希望解决高速飞行器热防护问题的冷却技术。由于发汗冷却实验研究对设备要求高且内部流场观测困难，对发汗冷却过程进行数值模拟是一种重要的研究手段。目前关于发汗冷却的单相流动传热数值模拟方法已经较为成熟，而关于相变发汗冷却的数值模拟方法较少，特别是通过现有商业软件无法直接完成相变发汗冷却非平衡流动传热过程的仿真。
技术实现思路
1、本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，基于fluent平台进行二次开发，实现相变发汗冷却非平衡流动传热性能的准确、快速预测，为相变发汗冷却的工程设计提供支撑。
2、本专利技术的技术解决方案是：一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，包括如下步骤：
3、step 1、为冷却流体连续性方程中的混合速度u、冷却流体动量方程中的混合压强p、冷却流体能量方
4、step2、对流体饱和度s和流体温度tf进行初始化赋值；
5、step 3、根据流体温度tf获得液相和气相的物性参数；
6、step 4、根据上一步骤获得的液相和气相物性参数以及流体饱和度s，计算混合密度ρ、混合动力粘度μ、对流项系数γ和扩散项系数γh；
7、step 5、为冷却流体连续性方程、冷却流体动量方程、冷却流体能量方程、多孔骨架能量方程赋予边界条件；
8、step 6、求解冷却流体连续性方程和冷却流体动量方程；
9、将冷却流体能量方程和多孔骨架能量方程中划分成非稳态项、对流项、扩散项和源项，通过编写udf函数对上述四项进行表达，加载到fluent中的uds方程中，分别求解冷却流体能量方程和多孔骨架能量，获得新的混合速度unew、新的混合压强pnew、新的混合焓hnew、新的固相温度ts-new；
10、step7、判断新的unew、pnew、hnew、ts-new与本次迭代中初始的u、p、h、ts之间的差值，若符合要求即可结束计算，否则将unew、pnew、hnew、ts-new分别赋值给u、p、h、ts，根据h与tf、s之间的关系更新tf、s后，返回step3重新迭代。
11、优选的，通过udf程序编写函数进行求解，具体为：
12、初始化函数用于初始化饱和度s和流体温度tf；
13、特性定义函数用于定义并计算流体混合密度ρ、混合动力粘度μ、对流项系数γ和扩散项系数γh；
14、参数调整函数用于每次迭代结束后，调整流体的饱和度s、温度tf、混合密度ρ、混合动力粘度μ、对流项系数γ和扩散项系数γh；
15、非稳态项定义函数定义并求解流体和多孔骨架能量方程的非稳态项；
16、对流项定义函数用于定义并求解流体能量方程的对流项；
17、扩散项定义函数用于定义并求解流体能量方程的扩散项；
18、热量交换定义函数用于定义并求解流体和多孔骨架之间的热量交换；
19、边界定义函数用于定义多孔骨架能量方程和冷却流体能量方程的边界条件。
20、优选的，根据流体温度tf通过查表或拟合公式的方式求解液相和气相的物性参数，液相和气相的物性参数包括：液相密度ρl、气相密度ρv、液相动力粘度μl、气相动力粘度μv、液相饱和焓hl、气相饱和焓hv、汽化潜热hfg、液相比热cl和气相比热cv。
21、优选的，混合密度ρ、混合动力粘度μ、对流项系数γ和扩散项系数γh的计算方法分别为：
22、ρ＝sρl+(1-s)ρv
23、
24、
25、
26、其中，s为液相饱和度，ρl为液相密度，ρv为气相密度，krl为液相相对渗透率，μl为液相动力粘度，krv为气相相对渗透率，μv为气相动力粘度，λ为液相相对流度，hl为液相饱和焓，hv为气相饱和焓，kf,eff为流体有效热导率，tf为流体温度，h为混合焓，hfg为汽化潜热，d(s)为毛细扩散系数。
27、优选的，为冷却流体连续性方程、冷却流体动量方程、冷却流体能量方程、多孔骨架能量方程赋予边界条件，具体为：
28、冷却流体入口给定速度和温度值，冷却流体出口给定压力值，多孔骨架冷端为绝热条件，多孔骨架热端给定热流密度值。
29、优选的，冷却流体能量方程为：
30、
31、其中，为冷却流体能量方程非稳态项，为冷却流体能量方程对流项，为冷却流体能量方程扩散项，qsf为源项，表示流固换热量；
32、ε为孔隙率，t为时间，ρ为混合密度，h为混合焓，γ为对流项系数，u为混合动力粘度，γh为扩散项系数，表示哈密顿算子。
33、优选的，多孔骨架能量方程为：
34、
35、为多孔骨架能量方程非稳态项，为多孔骨架能量方程扩散项，qsf为源项，表示流固换热量；
36、ε为孔隙率，t为时间，ρs为固相密度，cp,s为固相比热，kf,eff为固相有效热导率，ts为固相温度，表示哈密顿算子。
37、优选的，step 1中通过fluent平台自带初始化功能为冷却流体连续性方程中的混合速度u、冷却流体动量方程中的混合压强p、冷却流体能量方程中的混合焓h、多孔骨架能量方程中的固相温度ts进行初始化赋值；
38、step 6中通过fluent平台为冷却流体连续性方程和冷却流体动量方程赋予边界条件，并通过其自带的流动模型求解冷却流体连续性方程和冷却流体动量方程。
39、本专利技术与现有技术相比具有如下优点：
40、(1)本专利技术提出了考虑非平衡效应的相变发汗冷却热质传递仿真新模型，提升了极端环境下的仿真预测精度，能够支撑新一代高速飞行器相变发汗冷却热防护的精细化设计；
41、(2)本专利技术针对非平衡热质传递新模型，发展了基于fluent平台二次开发的数值仿真方法，为方案阶段的快速迭代奠定了基础。
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1.一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：通过UDF程序编写函数进行求解，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：根据流体温度Tf通过查表或拟合公式的方式求解液相和气相的物性参数，液相和气相的物性参数包括：液相密度ρl、气相密度ρv、液相动力粘度μl、气相动力粘度μv、液相饱和焓hl、气相饱和焓hv、汽化潜热hfg、液相比热cl和气相比热cv。
4.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：混合密度ρ、混合动力粘度μ、对流项系数γ和扩散项系数Γh的计算方法分别为：
5.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：为冷却流体连续性方程、冷却流体动量方程、冷却流体能量方程、多孔骨架能量方程赋予边界条件，具体为：
6.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：冷却流体能量方程为
7.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：多孔骨架能量方程为：
8.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：通过udf程序编写函数进行求解，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方法，其特征在于：根据流体温度tf通过查表或拟合公式的方式求解液相和气相的物性参数，液相和气相的物性参数包括：液相密度ρl、气相密度ρv、液相动力粘度μl、气相动力粘度μv、液相饱和焓hl、气相饱和焓hv、汽化潜热hfg、液相比热cl和气相比热cv。
4.根据权利要求1所述的一种相变发汗冷却非平衡流动传热数值模拟方...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠灿，赵民，陈海鹏，郑小鹏，赵山杉，武健辉，赵月，张升升，李枫，贺淇楝，张凯，徐峰涛，陈锐豪，王小辉，雷建长，陈民，董晓琳，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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