申请/专利权人：西安交通大学

申请日：2023-06-08

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN116822167B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F17/11;G06F119/08;G06F119/14;G06F113/26

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2023.10.24#实质审查的生效;2023.09.29#公开

摘要：本发明属于换热器设计和分析领域，公开了一种换热器热力耦合性能多尺度分析方法、系统、介质及设备，包括：进行换热器区域划分，并针对各个区域分别构建通道单胞模型；通过构建等效刚度系数及柔度系数关于变形能的形式方程、设置节点位移约束或单位应变、应力加载，计算换热器不同区域通道等效力学参数；构建宏观尺度的换热器等效固体模型，基于所述宏观尺度的换热器等效固体模型进行运行工况下整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场和位移场的计算，得到所述换热器强度薄弱区域位置细观通道的微观应力场。本发明可为高温高压换热器的强度设计和应用提供理论和方法指导。

主权项：1.一种换热器热力耦合性能多尺度分析方法，其特征在于，根据实际换热器的结构特征，将板翅式换热器划分为不同区域并提取通道单胞，建立换热器相应区域的通道单胞有限元模型，根据冷热侧通道是否满足周期性特征，使用数值计算方法计算出不同区域通道的等效力学参数，并将其作为实际尺寸板翅式换热器等效固体模型的材料属性，结合温度场和压力场数据进行载荷加载，得到整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场和位移场，并根据这些结果确定板翅式换热器强度薄弱区域位置和微观应力、变形场信息，用于优化板翅式换热器的设计方案和改进产品性能；所述换热器热力耦合性能多尺度分析方法包括以下步骤：步骤一，根据实际换热器的通道结构特征，将换热器划分为进口区域、出口区域、芯体区域和盖板区域；对每个区域提取一个代表通道单胞，构建换热器相应区域的通道单胞有限元模型；步骤二，将换热器通道分为周期性分布换热器通道和部分周期性分布换热器通道，分别建立对应的等效刚度系数矩阵或柔度系数矩阵关于变形能的形式方程，通过设置对应的节点位移约束方程以及特征单位应变或应力加载，进行换热器不同区域通道等效力学参数的计算；步骤三，建立宏观尺度的换热器等效固体模型，并将计算的换热器不同区域通道等效力学参数作为所述换热器等效固体模型的材料属性；步骤四，将换热器温度场数据导入所述换热器等效固体模型中，进行换热器温度载荷加载；再分别对换热器冷热通道的等效固体模型设置新的等效热膨胀系数、施加固定温差以及均布压力进行换热器压力载荷的加载，计算运行工况下整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场和位移场；步骤五，根据换热器等效固体模型的宏观应力场、应变场和位移场的计算结果，确定换热器强度薄弱区域位置；再结合所述换热器各区域通道单胞设置单位特征应力、应变和温度场加载的计算结果，通过计算应力放大系数矩阵得到所述换热器强度薄弱区域位置细观通道的微观应力场；所述步骤二包括：1对换热器中冷热通道结构相同的芯体区域通道为具有周期性分布特征的周期性分布换热器通道，通过设置周期性特征应变场χ*ij，将单位特征应变场和由单胞非均质性引起的应变场视为直接施加在边界上的特征应变场，得到周期性分布换热器通道的等效刚度系数基于变形能П形式的简化数学方程；2对换热器中冷热通道结构不同的进出口区域通道视为具有部分周期性分布特征的部分周期性分布换热器通道，分别通过设置部分周期性特征应变场和将单位特征应变场和单位特征应力场与由单胞非均质性引起的应变场视为直接施加在通道单胞边界上的特征应变场，得到部分周期性分布换热器通道的等效刚度系数上下限基于变形能П形式的简化数学方程；3对换热器盖板区域：进行基材的选取并记录基材在不同温度下的材料属性；4通过有限元计算所述周期性分布换热器通道的等效刚度系数基于变形能П形式的简化数学方程与所述部分周期性分布换热器通道的等效刚度系数上下限基于变形能П形式的简化数学方程，计算换热器不同区域通道在不同温度下的等效力学参数；所述周期性分布换热器通道的等效刚度系数基于变形能П形式的简化数学方程如下：对角线刚度系数非对角线刚度系数：其中，χ*ij为周期性单位特征应变场；i,j,k,l＝1,2,3均为方向矢量；|Y|为单胞体积；П为变形能；所述部分周期性分布换热器通道的等效刚度系数上下限基于变形能П形式的简化数学方程如下：2.1对于等效刚度系数上限的能量形式方程：对角线刚度系数非对角线刚度系数其中，表示部分周期性单位特征应变场；i,j,k,l均为方向矢量，其值为1,2,3；|Y|为单胞体积；П为变形能；2.2对于等效刚度系数下限的能量形式方程：对角线柔度系数：非对角线柔度系数：等效刚度系数下限：其中，表示部分周期性单位特征应力场所对应的特征应变场；i,j,k,l均为方向矢量，其值为1,2,3；|Y|为单胞体积；П为变形能；据此获得换热器通道等效力学性能参数： 所述将计算的换热器不同区域通道等效力学参数作为所述换热器等效固体模型的材料属性包括：将计算的换热器各个区域通道等效力学参数作为换热器等效固体模型中对应区域的等效材料属性，并将不同区域的材料属性导入宏观尺度上的换热器等效固体模型时进行矩阵方向的转换；所述材料属性包括三个等效弹性模量与温度的函数、三个等效剪切模量与温度的函数和三个等效泊松比与温度的函数；所述步骤四包括：1将换热器温度场数据导入换热器等效固体模型中，进行换热器温度载荷加载；2分别对冷热通道等效固体模型的x方向和y方向冷热通道设置新的等效热膨胀系数和对换热器整体温度场施加固定温差ΔT；所述等效热膨胀系数与换热器通道等效柔度系数原材料柔度系数Sijkl、温度T和换热器通道压力P有关；3对z方向进出口截面处施加数值为的均布压力，进行换热器等效压力载荷的加载；其中，表示孔隙率；4利用下式计算运行工况下整个换热器在温度和压力载荷共同作用下宏观应力场、应变场及位移场： 其中，上标H代表等效；和分别代表x和y方向上的等效热膨胀系数；Pc和Ph分别代表冷、热侧压力，下标c和h分别代表冷、热侧；代表等效柔度系数，i,j,k,l代表方向矢量，值为1,2,3；Sijkl代表原材料等效柔度系数；T代表温度；ΔT代表温差。

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