【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及結霜行為預測領域，具體地，涉及強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法。
技術介紹
1、某新型低溫換熱器可將高速流動的高溫氣體迅速冷卻至深低溫。當氣體被冷卻至零下溫度后，空氣的飽和濕度將大大降低，由此將導致空氣中的水蒸氣在換熱單元的低溫表面凝華為霜。這種在高速氣流流過換熱單元的低溫表面結霜的行為屬于強對流條件下的低溫表面結霜問題，是水蒸氣凝華的氣-固相變行為。這種水蒸氣直接凝華為霜的氣-固相變行為被稱作干模態結霜，干模態結霜過程中不會出現液態水。由于這種低溫表面的干模態結霜會引起換熱器通道的堵塞，掌握不同來流速度、來流溫度、低溫表面溫度和低溫元件尺寸等結霜條件下的干模態結霜厚度生長情況對于設計換熱器的換熱單元尺寸、間距以及確定換熱器冷卻策略至關重要，為此，需要對不同結霜條件下的低溫表面的干模態結霜行為進行預測。
2、對于某個確定的來流溫度、來流速度、低溫平板溫度和低溫平板長度的干模態結霜條件下，目前已有用于低溫平板上霜層厚度隨時間的變化的數值計算預測方法。目前的方法為有量綱方法，該方法根據有量綱的來流溫度、來流速度、低溫平板溫度和低溫平板長度等參數構建能量方程和質量方程，并進行時間的迭代求解。然而，這種數值計算預測方法需要迭代求解，在實際使用中不太方便。此外，需要對每個不同的來流溫度、來流速度、低溫平板溫度和低溫平板長度等結霜條件組合進行單獨計算，且不同條件下得到的霜層厚度生長曲線各異。
3、申請人發現目前的有量綱方法忽略了強對流條件下低溫平板干模態結霜的相似因素，導致目前的方法需要進
技術實現思路
1、本專利技術目的是獲得強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素。
2、為實現上述專利技術目的，本專利技術提供了強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，所述方法包括：
3、步驟1：對低溫平板干模態結霜進行模擬，根據霜層表面處的傳熱平衡關系構建霜層對應的能量守恒方程，以及根據霜層質量變化率與水蒸氣相變速率的關系構建霜層對應的質量守恒方程；
4、步驟2：獲得與低溫平板干模態結霜相關的特征值，包括：無量綱溫度、無量綱霜層厚度、無量綱結霜時間、無量綱濕度、無量綱霜層密度和無量綱霜層熱導率；基于無量綱溫度、無量綱霜層厚度、無量綱結霜時間、無量綱濕度和無量綱霜層密度對質量守恒方程進行處理得到無量綱質量守恒方程；基于無量綱溫度、無量綱霜層厚度、無量綱濕度和無量綱霜層熱導率對能量守恒方程進行處理得無量綱能量守恒方程；
5、步驟3：對無量綱質量守恒方程和無量綱能量守恒方程進行分析獲得強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素結果。
6、其中，本方法首先對低溫平板干模態結霜進行模擬，根據霜層表面處的傳熱平衡關系構建霜層對應的能量守恒方程，以及根據霜層質量變化率與水蒸氣相變速率的關系構建霜層對應的質量守恒方程；然后獲得與低溫平板干模態結霜相關的特征值，通過這些特征值對質量守恒方程進行處理得到無量綱質量守恒方程，對能量守恒方程進行處理得無量綱能量守恒方程；在獲得無量綱質量守恒方程和無量綱能量守恒方程后，即可分析這兩個方程中未出現的因素，即可獲得強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素結果，目前的有量綱方法根據有量綱的來流溫度、來流速度、低溫平板溫度和低溫平板長度等參數構建能量方程和質量方程，并進行時間的迭代求解，然而，這種數值計算預測方法需要迭代求解，在實際使用中不太方便，此外，需要對每個不同的來流溫度、來流速度、低溫平板溫度和低溫平板長度等結霜條件組合進行單獨計算，且不同條件下得到的霜層厚度生長曲線各異，導致計算量大計算效率較低。，為了獲得強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素，進而提高低溫平板干模態結霜的預測效率，減少計算量，本方法對低溫平板干模態結霜的影響因素進行了相似因素提取處理，通過提取獲得了低溫平板干模態結霜過程相似因素，進而可以不進行迭代計算，而通過相似因素建立比例關系，直接計算得到相似狀態下的結霜量，從而提高預測效率。
7、進一步的，本方法還包括步驟4：對所述相似因素進行驗證，包括：采用有量綱方法，即根據有量綱的來流溫度、來流速度、低溫平板溫度和低溫平板長度等參數構建能量方程和質量方程，并進行時間的迭代求解，實現低溫平板干模態結霜預測獲得第一結果，以及通過相似因素建立比例關系，直接計算得到相似狀態下的結霜量，實現低溫平板干模態結霜預測獲得第二結果，比較第一結果和第二結果對相似因素進行驗證。
8、其中，如果第一結果和第二結果差異在預設范圍內，那么說明相似因素有效，如果第一結果和第二結果差異在預設范圍外，則說明相似因素無效，在預測時仍需要考慮該影響因素。
9、進一步的，所述步驟1包括：
10、步驟1.1：基于結霜過程中各時刻霜層內部均滿足準穩態導熱獲得霜層內的傳熱控制方程；
11、步驟1.2：基于霜層內的傳熱控制方程，根據霜層表面處的傳熱平衡關系構建霜層對應的能量守恒方程；
12、步驟1.3：基于霜層內的傳熱控制方程，根據霜層質量變化率與水蒸氣相變速率的關系構建霜層對應的質量守恒方程。
13、其中，準穩態導熱是指在非穩態導熱中的每個時間步內的導熱可認為是穩態導熱。
14、進一步的，傳熱控制方程為：
15、
16、其中，x為霜層內部的高度，kf為x處的霜層熱導率，t為霜層x處的溫度；
17、能量守恒方程為：
18、
19、其中，為霜層內部導熱量，h(ta-ts)為對流換熱量，hm(ρv-ρsa(ts))γ為水蒸氣凝結為霜時所釋放的潛熱，xf為霜層厚度，xf為霜層厚度，h為對流換熱系數，ta為來流溫度，ts為霜面溫度，hm為水蒸氣對流傳質系數，ρv為來流水蒸氣密度，γ為水蒸氣的凝華潛熱，ρsa(ts)為霜面溫度對應的飽和濕度；
20、質量守恒方程為：
21、
22、其中，為霜層質量變化率，hm(ρv-ρsa(ts))為水蒸氣相變速率，t為結霜時間，ρf為t時刻霜面處生成霜層的密度，即新生成的霜層的密度，結霜一直在進行，新生成霜層的指t時刻生成的霜層，是相對于t時刻之前已經生成的既有霜層新生成的霜層。
23、進一步的，無量綱溫度采用以下公式計算獲得：
24、
25、其中，θ為無量綱溫度，t為霜層x處的溫度，tw為低溫平板溫度，td為來流露點溫度。
26、無量綱霜層厚度采用以下公式計算獲得：
27、
28、其中，δb為無量綱霜層厚度，為霜層平衡熱導率，h為對流換熱系數，θa為來流空氣的無量綱溫度；
29、無量綱結霜時間采用以下公式計算獲得：
30、
31、其中，η為無量綱結霜時間，δb為霜層平衡厚度，ξ為霜層特征生長速率；
32、無量綱濕度采用以下公式計算獲得：
33、
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1.強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，所述步驟1包括：
3.根據權利要求2所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，傳熱控制方程為：
4.根據權利要求1所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，無量綱溫度采用以下公式計算獲得：
5.根據權利要求4所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，無量綱質量守恒方程為：
6.根據權利要求4所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，無量綱能量守恒方程為：
7.根據權利要求6所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，所述步驟2還包括：
8.根據權利要求7所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，所述步驟3具體包括：
9.根據權利要求7所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法
10.根據權利要求1所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，當低溫平板干模態結霜過程中霜層密度和熱導率不變時，結霜相似因素包括雷諾數、霜層密度和熱導率。
...【技術特征摘要】
1.強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，所述步驟1包括：
3.根據權利要求2所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，傳熱控制方程為：
4.根據權利要求1所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，無量綱溫度采用以下公式計算獲得：
5.根據權利要求4所述的強對流條件下低溫平板干模態結霜相似因素獲得方法，其特征在于，無量綱質量守恒方程為：
6.根據權利要求4所述的強對流條件下低...
【專利技術屬性】
技術研發人員：夏斌，梁新剛，徐向華，肖光明，魏東，張昊元，向靜，徐強，
申請(專利權)人：中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所，
類型：發明
國別省市：
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