(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210569667.8 (22)申请日 2022.05.24 (71)申请人 东北电力大 学 地址 132012 吉林省吉林市长 春路169号 (72)发明人 韩志敏　王展鹏　梁桢　陈鸿图　 徐志明　 (74)专利代理 机构 北京中南长风知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11674 专利代理师 李青 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种利用霜层表面性质预测冷表面结霜的 模拟方法 (57)摘要 本发明属于结霜模拟运算技术领域， 尤其涉 及一种利用霜层表面性质预测冷表面结霜的模 拟方法， 包括以下步骤： S1、 建立冷表面物理模 型； S2、 获得满足模拟精度的网格数量； S3、 计算 流场参数； S4、 标记并获得水蒸气与冰的传质速 率； S5、 获得霜层的厚度及密度； S6、 构建用于冷 平板的霜层生长数值分析方法； S7、 同工况下与 相关文献实验结果进行对比， 验证模型的准确 性； S8、 将构建霜层生长模型用于实际， 分析冷表 面上霜层生长的分布情况。 本发 明通过对前人忽 视了的霜层 表面性质， 尤其是冰项体积分数的研 究， 具体对霜层厚度的增大过程进行描述， 提出 了更细致考虑更全面的霜层生长数值模型。 计算 的霜层生长情况与实际的霜层厚度、 密度更为接 近。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 115114815 A 2022.09.27 CN 115114815 A 1.一种利用霜层表面 性质预测冷表面结霜的模拟方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： S1、 建立冷表面物理模型； 利用ICEM软件建立冷表面物理模型， 采用四边形结构化网格对计算域网格进行划分， 并对近壁 面网格在满足Y+的要求下进行加密处 理； S2、 获得满足模拟精度的网格数量； 对划分的计算域网格进行网格无关性验证， 通过自适应网格技术调整网格， 同时分别 划分几种不同数量的网格进行对比验证， 随着网格数量的增加， 霜层的总质量不在变化且 差值逐渐趋 于稳定时， 即可 得到满足模拟精度的网格数量； S3、 计算流场参数； 利用连续性、 动 量、 能量和组分方程对整个流场区域进行模拟计算， 各控制方程通用形 式如下： 其中， ρ 为 流体密度； Φ为广义变量； Γ为广义扩散系数； S为广义源相； S4、 标记并获得 水蒸气与冰的传质速率； 通过用户自定义UDM把能否相变的区域分别储存标记为1和0； 由于靠近壁面的第一层 网格始终存在着冷表面的支撑作用， 在整个计算时间内始终被标记为1； 而那些处于同一 列， 且正下方接触着冰项体积分数大于临界体积分数的网格， 也被标记为1； 在t＝0的初始 状态下， 仅靠近壁面的第一层网格被标记， 而每次迭代完成都更新UDM， 标记满足条件的网 格； 整个计算时间内， 流场域内是一个随时迭代、 标记更新的过程； 水蒸气与冰的传质速率由两 部分组成： 一部分为主 要增大霜层厚度的体积传质速率 具体可以表示 为： 其中， τv表示与相变速率有关的项， hsub＝2.833×106kJ/kg表示相 变的固化潜热值， αa 及ρa分别表示湿空气的体积分数和湿 空气的密度， ω及ωsat分别表示水蒸气的实际质量分 数和水蒸气处于饱和分压力时 的饱和质量分数， 表示控制体的表面体积之比， 表示 控制体到冷表面的导热传热量； 另一部分为主 要提高霜层 密度的密度传质速率 具体表示 为： 其中， a表示与相变速率有关的项， ωa表示水空气的质量分数， ρa表示湿空气的密度， 表示控制体的表面体积之比， ρf,avg表示霜层的平均密度； 两者加和即为总传质速率： S5、 获得霜层的厚度及 密度； 霜层的平均厚度及平均密度， 可以用 用户自定义 函数计算， 并用UDM储 存记录；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115114815 A 2霜层的平均厚度计算公式如下： 其中， δj中表示第j列网格中， 冰项体积分数大于10‑6部分的网格在y方向上的最大坐 标， Δx＝1mm表示网格的长度， L＝100mm表示冷表面的总长度； 对霜层厚度乘以网格x方向 的增量加集 合， 再除以霜层总长L， 即可求得霜层的平均厚度 霜层的平均密度计算公式如下： 其中， mcv表示控制体内霜的质量， Vcv表示控制体的体积， Vfl表示霜层的总体积； S6、 构建用于冷平板的霜层生长数值分析 方法； 首先将物理模型离散化处理为数量众多的网格单元， 然后在模拟过程中提取某一网格 单元Cellx内流体的物性参数； 求解动量、 连续性、 能量、 组分、 湍流、 欧拉方程， 得到体积分 数、 温度等物 性参数， 计算总相变速率， 更新动量、 质量、 能量、 组分源相； 在霜层厚度以及霜 层密度与流体速度场、 温度场之 间建立耦合关系； 对流场内所有网格单元进行循环， 并迭代 至下一时间步长； 反复循环直至所有网格单 元均达到所需计算的时间要求； S7、 同工况 下与相关文献实验结果进行对比， 验证模型的准确性； S8、 将构建霜层生长模型用于实际， 分析冷表面上霜层生长的分布情况。 2.根据权利要求1所述的利用霜层表面性质预测冷表面结霜的模拟方法， 其特征在于： 所述步骤S3中， 所述广义源相公式如下： 冰项的质量源相 湿空气项的质量源相 冰项的能量源相 湿空气项的能量源相 湿空气项的x方向动量源相 湿空气项的y方向动量源相 湿空气项的组分源相 由欧拉多相流及组分输运方程可 得， 干空气的质量变化Sa＝Sm‑a‑Sn＝0。 3.根据权利要求2所述的利用霜层表面性质预测冷表面结霜的模拟方法， 其特征在于： 所述步骤S4中， 水蒸气的饱和分压力和水蒸气对应分压力下的饱和质量分数计算方式如 下： 当湿空气温度处于173.15K～ 273.15K的范围时， 水蒸气饱和分压力计算公式为： psat(T)＝exp(a0/T+a1+a2T+a3T2+a4T3+a5T4+a6lnT) 而当湿空气温度处于273.15K～473.15K的范围时， 水蒸气饱和分压力计算公式为： psat(T)＝exp(b0/T+b1+b2T+b3T2+b4T3+b5lnT)权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115114815 A 3