太阳能换热器承压水箱里的热分析

lhai8

最近想做太阳能换热器承压水箱里的热分析，但是一直不知如何下手。我把问题描述一下，希望有人能指点一下怎么去做。
欢迎大家参与讨论，有什么观点见解随便提，大家一起讨论下！

换热器的承压水箱的实质就是一个热交换的产品，但是为了考察其换热效果，需要对水箱里的水温进行监测，现在都还是使用实验的方法获取水箱里面的温升，温度分布与时间的关系。本想尝试用软件模拟的方法来分析获得水箱内水温升高与时间之间的关系，但是这属于非稳态问题（即时间相关），哪怕只是想知道一个小时后的换热情况，计算量已经大得惊人。以现在性能比较好的计算机来做的话，模拟物理时间一秒钟的计算时间就达到了40分钟，更何况长时间的模拟，这对cpu、内存、硬盘都是一个不小的考验。这种做法基本上被否定了。

蛇管内的流动是稳定的，水箱里的液体是不流动的，这样的话是不是就可以先计算稳态流场，再计算非稳态温度场？

现在请问有哪位做过这方面或者是类似的分析，有没有一种比较好的处理方法，能够快速得得到一定时间后的结果。可以不要水箱里面温度分布，只要水箱里面的液体的平均温度在一定时间后达到了多少度。可以是一个已经有的数学模型，也可以是商用的软件，但是计算速度一定要快，一般来说两三天的时间是可以接爱的，但是时间太长就失去了意义。

己知条件是蛇管进热水的温度及流量，蛇管出口的压力，水箱内的初始温度，蛇管材料，水箱绝热。

不知怎么把图片放到这里面，只能把图片放到附件里面。

[ 本帖最后由 lhai8 于 2011-4-21 10:49 编辑 ]

xrs333

好问题。
建议：对整个升温过程的CFD计算只用于研究目的，帮助设计员了解流动和传热现象，计算时可尝试增大时间步长。而在产品设计验证和优化工作中只做稳态分析，通过分析比较温度分布和换热系数等为设计提供参考。

lhai8

增大时间步长的话会减小硬盘的存储，但是会缩短时间吗？我认为时间步长大的话会有更多的迭代达到每一个时间步的平衡，不知道这个观点对不对。
    如果只做稳态分析的话，最后都会达到一个平衡的过程，只分析这个平衡得不出哪种情况能用最少的时间达到这个平衡，只能说明这个平衡达到后液体的平均温度哪种情况下较高。
    我想知道的结果是在一定时间后里面的温升，这样才能对里面的蛇管材料，盘绕直径，节距，圆管直径等一系列参数进行分析，查看这一系列参数对换热效果（一定时间达到的温度）的影响。

[ 本帖最后由 lhai8 于 2011-4-11 16:51 编辑 ]

飞翔鸟

如果你的流场比较稳定，可以先计算一个稳态流场，然后停掉流场计算，只进行温度场的非稳态计算，计算时间将会大大减少。

lhai8

我在这方面是一个初学者，只是说一些自己的想法，请大家指正。

4楼考虑的是蛇管内全是一定高温液体，外面是冷液体，在静止平衡情况下的热交换。这种方法应该是指蛇管内液体没有流动，仅做热交换的非稳态计算。

在蛇管进口外，温度是恒定的，但是蛇管内的水流的温度是变化的，而且变化的速率是非线性的，这是因为在传热过程中，随着水箱内的水温的升高，蛇管内外温度会有变化，导到处传热效率改变。所以我觉得4楼的方法不可行。

飞翔鸟

非也。
我的意思是计算出一个稳定流场后，停掉其流场计算，只计算温度的瞬态计算。这种方法不是说没有流场了，而是流场保持稳态计算出来的流场不变。而导热系数比热容粘性系数你该用动态的就用动态（变物性）的，不知道你明白了我的意思没有。我这样做过分析，内容跟你这个有点相似，整个计算区域并不复杂，流场随时间变化并不大，或者说平均流场是稳定的，但是进口的液体温度非线性变化很长的时间（比你的时间还长），我就是用这种方法做的，结果还是可以接受的。
不知道你明白了我的意思没有。

xrs333

但水箱里面的流动是自然对流，流场与温度场是耦合的。

飞翔鸟

这种方法也是不得已而为之。虽然是自然对流，但是他的问题核心是想通过对流把热量从蛇形管传递到水箱，但是每一个时间步长都求流场时间又太长。如果能找到一个合适的平均流场，只要能比较准确的反映出换热系数，工程上这样处理还是可行的。

uesoft

把时间步长ts加大是比较简单而且准确的办法。估计200L水箱加热也就是8小时，你可以把步长设置为8h/80=01h=6min即可得到比较准确的结论。

飞翔鸟

6分钟的步长能收敛吗？

浪子轻狂

楼主现在的网格步长和蛇管入口流速是多少？六分钟的时间步长，我看比较悬，太大了吧。

uesoft

如果不行，把步长设置为8h/800=0.01h=36s应该可得到比较准确的结论。
关键看加热速度快不快，时间步长应该与加热速度成反比，这样就可以用较少的迭代获得更高的精度。

飞翔鸟

你如果用CFD软件计算过瞬态流固耦合换热就不会认为36s的步长是合适的。就他这个几何，网格做得稍微密了一点，0.1s的步长都不容易收敛。

uesoft

那就把网格拉稀一些。

浪子轻狂

有同感，以前计算过一个水中气泡运动的cfd例子，水流速很快，网格又比较密。算一秒钟运动都得半天。网格太稀疏了，计算结果没法保证；网格太密集了，计算时间能让你等的花儿都谢了！强行增大时间步长，基本上算个若干步就因发散或错误而停止，真纠结。

[ 本帖最后由 浪子轻狂 于 2011-4-12 08:42 编辑 ]