(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 202210936573.X (22)申请日 2022.08.05 (71)申请人 武汉科技大 学 地址 430080 湖北省武汉市青山区和平大 道947号 申请人 武汉致工科技有限公司 (72)发明人 龚京风　赵英凯　宣领宽　 (74)专利代理 机构 北京众达德权知识产权代理 有限公司 1 1570 专利代理师 田灵菲 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种流热固耦合的统一体积计算方法 (57)摘要 本发明提供一种流热固耦合的统一有限体 积计算方法， 首先应基于格心型有限体积法(CC ‑ FVM)建立温度非线性非均质流热耦 合数值模型， 基于格点型有限体积法(CV ‑FVM)建立非均质热 固耦合数值模型； 其次利用CC ‑FVM和CV‑FVM数值 模型的区别， 借鉴交错网格的思想， 构建统一的 数值框架， 基于同一套网格融合两种数值模型， 建立流热固耦 合有限体积法(FV M)， 并利用C++语 言开发流热固耦合计算程序的技术方案。 解决采 用不同数值方法引起数据转换误差的技术问题。 所述流热固耦合的统一有限体积计算方法， 适用 于包含流场、 温度场、 位移场(应力场)在内的一 种或多种物理场的单一 求解或耦合 求解。 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 CN 115293000 A 2022.11.04 CN 115293000 A 1.一种流热固耦合的统一有限体积计算方法， 其特征在于： 首先应基于格心型有限体 积法(CC‑FVM)建立 温度非线性 非均质流热耦合数值模 型， 基于格点型有限体积法(CV ‑FVM) 建立非均质热固耦合数值模型； 其次利用CC ‑FVM和CV‑FVM数值模型的区别， 借鉴交错网格 的思想， 构建统一的数值框架， 基于同一套网格融合两种数值模型， 建立流热固耦合有限体 积法(FVM)。 2.根据权利要求1所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法， 基于CC ‑FVM建立 温度非线性非均质流热耦合数值模型， 其特 征在于： 第一步， 基于温度非线性、 非均质问题计算方法的研究， 对材料物性的时空变化引入离 散过程； 第二步， 基于流热耦合C C‑FVM数值计算模型的研究； 第三步， 基于CC ‑FVM离散控制方程， 从CC ‑FVM的数值框架出发， 将物性参数定义在网格 中心， 选择合适的插值算法计算离散方程中的面单元系 数， 从而自然的将物性参数 的空间 变化引入离 散过程， 实现基于 CC‑FVM离散控制方程计算温度非线性、 非均质流体流动； 第四步， 流体子域和固体子域的能量方程采用统一的离散方法， 在网格信息处理时标 记出流体和固体区域， 用于控制 离散方程中是否包含对流项， 将其处理为不同计算子域间 的耦合传热问题， 建立统一的代数 方程组； 第五步， 结合迭代同步耦合解法， 求解互相匹配的热物性和温度场， 解决温度非线性问 题； 第六步， 采用同步耦合解法， 结合隐格式算法建立考虑温度非线性、 非均质的流热耦合 CC‑FVM数值计算方法， 利用C+ +语言编制求 解程序。 3.根据权利要求2所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法， 基于CC ‑FVM建立 温度非线性非均质流热耦合数值模型， 其特征在于： 第 五步同样可用于求解材料不同引起 的物性参数空间变化问题， 解决非均质问题。 4.根据权利要求1 ‑2任意一项所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法， 基于 CV‑FVM建立非均质热固耦合数值模型， 其特 征在于： 第一步， 基于非均质热固耦合问题的计算方法研究： 针对热固耦合问题， 利用所述的建 立CC‑FVM数值模拟方法求 解温度场及随温度变化的弹性模量、 热膨胀系数等； 第二步， 基于热固耦合CV ‑FVM数值计算的模型研究， 利用CV ‑FVM离散热弹性方程； 第三步， 针对非均质问题， 采用交错网格技 术； 第四步， 基于CV ‑FVM离散控制方程， 利用交错网格技术将物性参数的空间变化自然 的 引入离散方程， 从而建立 考虑温度影响的非均质热固耦合CV ‑FVM数值模型； 第五步， 采用顺序耦合 解法； 第六步， 建立考虑温度影响的非均质热固耦合CV ‑FVM数值计算方法， 利用C++语言编制 求解程序。 5.根据权利要求1 ‑4任意一项所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法， 流热 固耦FVM数值模拟， 其特 征在于： 第一步， 利用交错网格的思想， 构建统一的FVM数值框架， 基于同一套网格融合所述的 流热耦合C C‑FVM数值模型和所述的热固耦合CV ‑FVM数值模型， 利用单向耦合 解法； 第二步， 将物性参数都定义在网格中心， 利用流热耦合CC ‑FVM数值模型计算得到网格权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115293000 A 2中心的温度， 基于物性参数随温度变化的拟合公式计算网格中心的物性参数， 直接用于求 解热固耦合CV ‑FVM离散方程； 第三步， CV ‑FVM中将应力定义在网格中心， 离散方程时利用节点上的位移和型函数计 算得到应变引起的网格中心的应力， 而离散方程中的热应力项恰好需要的是网格中心的温 度。 6.根据权利要求1所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法的使用， 其特征在 于： 适用于包含流场、 温度场、 位移场(应力场)在内的一种或多种物理场的单一求解 或耦合 求解。 7.根据权利要求6所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法的使用， 应用于一 种管壳式换热器的流热固耦合的计算， 所述管壳式换热器， 包括由壳程中的冷流体101、 管 程中的热流体102组成流体子域1， 由换热器外壳201、 折流板202、 换热管203组成 的固体子 域2， 其特征在于： 在求解流热耦合时， CC ‑FVM以网格为控制体离散方程， 物 性参数定义在网 格单元中心， 并假设均匀分布； 离散的控制方程中需要用到网格面的物性参数， 而网格面的 参数通过相邻单元中心的值差分得到， 从而考虑材料的空间分布， 实现了CC ‑FVM对非均质 问题的处 理。 8.根据权利要求7所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法的使用， 应用于一 种管壳式换热器的流热固耦合的计算， 其特征在于： 在求解热固耦合时， CV ‑FVM围绕网格节 点构造控制体离散控制方程， 将待解变量定义在单元节点上， 并假设在 控制体内均匀分布； 其余物理量定义在单元中心并假设在单元内均匀分布； 由控制体的形成可知， 物性参数在 控制体内是变化的， 即采用交错网格技术将物 性参数的空间变化引入离散过程， 实现了CV ‑ FVM对非均质问题的处 理。 9.根据权利要求7所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法的使用， 应用于一 种管壳式换热器的流热固耦合的计算， 其特征在于： 流热耦合计算时， 基于CC ‑FVM， 利用 SIMPLE算法(现有技术中常用算法)求解连续性方程、 动量方程， 采用合适的湍流模型得到 整个流体子域 1的速度、 压力分布； 流体子域 1与固体子域2能量方程的主要区别在于是否有 对流项， 故可建立流体子域 1与固体子域2统一的能量方程组， 同时求解出流体子域 1与固体 子域2网格中心的温度， 完成流热耦合的计算。 10.根据权利要求8所述的一种流热固耦合的统一有限体积计算方法的使用， 应用于一 种管壳式换热器的流热固耦合的计算， 其特征在于： 热固耦合计算时， 因为基于CV ‑FVM离散 的热弹性方程中温度项数据取自单元中心， 故可以直接将流热耦合计算得到的固体子域2 温度场作为输入， 求解热弹性方程得到固体子域2包括由换热器外壳201、 换热管202、 折流 板203组成的固体子域2， 由壳程中的冷流体、 管程中的热流体组成流体子域1的位移场， 再 求解本构方程得到热应力， 完成流热固耦合的计算。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115293000 A 3