一种基于CFD仿真的凝汽器抽气口位置优化设计方法与流程

本发明涉及船舶凝汽器仿真的，尤其涉及一种基于cfd仿真的凝汽器抽气口位置优化设计方法。

背景技术：

1、凝汽器是蒸汽动力系统中的核心换热设备，其壳侧流场特性直接决定动力系统的循环热效率与经济性。随着计算流体力学（cfd）技术的发展，利用数值仿真手段对凝汽器壳侧凝结换热过程进行精细化分析，已成为大型工业凝汽器优化设计的重要途径。当前工程实践中，凝汽器壳侧流场的仿真通常采用cfd软件内置的多相流模型，将蒸汽凝结过程简化为传热传质过程进行求解，并结合壳侧不凝性气体分布对抽气口位置进行设计评估。

2、然而，现有cfd仿真方法在凝汽器壳侧流场精细化建模方面仍存在不足。其一，cfd软件内置的多相流模型对蒸汽相变凝结过程中的潜热释放、传热传质耦合作用及相界面演化刻画较为简化，难以精确表征壳侧凝结换热过程；其二，凝汽器冷却管束密集，采用全尺寸建模时管束区需逐根构建几何体，由此生成的非结构化网格数量级可达千万级别，计算资源需求呈指数增长，难以满足实际工程应用。上述两方面不足使得现有仿真方法难以在计算成本可接受的前提下，兼顾凝结换热过程仿真精度。

3、另外，不凝性气体的空间分布对凝汽器运行效能具有决定性影响，其局部积聚会在冷却管壁面形成气态热阻层，阻碍蒸汽与冷却工质的直接接触传热，并引发真空度劣化。抽气口位置的优劣直接决定不凝性气体的排出效果，然而现有工程实践主要依赖物理试验与经验判断确定抽气口最优位置，物理试验成本高昂、周期冗长，经验判断主观性强、普适性差。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于cfd仿真的凝汽器抽气口位置优化设计方法，具体方案如下：

2、一种基于cfd仿真的凝汽器抽气口位置优化设计方法，包括以下步骤：

3、s1、获取凝汽器壳侧流场的几何参数、冷却管束排列参数和运行工况参数；

4、s2、基于所述几何参数构建凝汽器壳侧流场几何模型，并对所述凝汽器壳侧流场几何模型进行几何修复；

5、s3、对几何修复后的所述凝汽器壳侧流场几何模型进行网格划分生成计算域，其中将冷却管束所在区域确定为管束区，并建立所述冷却管束排列参数与多孔介质孔隙率的映射关系；

6、s4、将所述管束区等效为多孔介质模型，在所述管束区加载多孔介质阻力源项，并在所述计算域中加载汽液两相冷凝传质模型，得到凝汽器壳侧流场计算模型；

7、s5、基于所述运行工况参数预设的边界条件和初始条件，对所述凝汽器壳侧流场计算模型进行数值求解，获得包含速度场、不凝性气体浓度场、压力场以及温度场的流场数据；

8、s6、基于所述流场数据建立以换热量与压降比值为表征的能效目标函数，基于所述不凝性气体浓度场和所述速度场识别抽气口候选区域，采用全局优化算法更新所述抽气口候选区域内的抽气口位置并重新进行数值求解，迭代至满足收敛准则后输出最优抽气口位置。

9、进一步的，s3中，对几何修复后的所述凝汽器壳侧流场几何模型进行网格划分生成计算域，包括：

10、根据所述凝汽器壳侧流场几何模型的特征结构，将所述计算域划分为空冷区、主凝结区以及非管束区，其中所述冷却管束所在区域具体包括所述空冷区与所述主凝结区；

11、所述多孔介质阻力源项的加载区域具体为所述空冷区与所述主凝结区，所述非管束区不加载所述多孔介质阻力源项。

12、进一步的，s3中，所述冷却管束排列参数包括管外径与管间距；当所述冷却管束采用三角形布置时，所述建立所述冷却管束排列参数与多孔介质孔隙率的映射关系，包括：

13、计算所述管外径与所述管间距的比值，并对该比值进行平方运算得到几何占比平方值；

14、计算圆周率除以二倍的根号三所得到的商，将其作为常数系数；

15、利用一减去所述常数系数与所述几何占比平方值的乘积，得到所述管束区的多孔介质孔隙率。

16、进一步的，s3中，所述冷却管束排列参数包括管外径、径向管心距、当地圆弧半径以及对应圆心角；当所述冷却管束采用辐射状布置时，所述建立所述冷却管束排列参数与多孔介质孔隙率的映射关系，包括：

17、计算圆周率与所述管外径平方的乘积得到基准截面积；

18、计算四倍的所述径向管心距、所述当地圆弧半径与所述对应圆心角的连乘积得到参考控制面积；

19、利用一减去所述基准截面积与所述参考控制面积的比值，计算得到所述管束区不同径向位置处的多孔介质孔隙率。

20、进一步的，s4中，在所述计算域中加载汽液两相冷凝传质模型，得到凝汽器壳侧流场计算模型，包括：

21、获取流场局部的当地水蒸气温度、冷却水温度、传热面积、气化潜热、控制体体积以及总热阻；

22、计算所述当地水蒸气温度与所述冷却水温度之差得到传热温差；

23、计算所述传热温差与所述传热面积的乘积作为传热驱动项，并计算所述气化潜热、所述控制体体积与所述总热阻的连乘积作为热阻碍项；

24、将所述传热驱动项除以所述热阻碍项得到冷凝率；

25、将取负值后的所述冷凝率作为表征蒸汽冷凝减少的汽相侧源项，将取正值的所述冷凝率作为表征液态水增加的液相侧源项。

26、进一步的，s4中，将所述管束区等效为多孔介质模型，在所述管束区加载多孔介质阻力源项，包括：

27、获取所述冷却管束排列参数中的管间距与管外径；

28、根据流体在第一方向上的雷诺数获取第一方向摩擦阻力系数，根据流体在第二方向上的雷诺数获取第二方向摩擦阻力系数；

29、计算所述第一方向摩擦阻力系数与所述管间距之比的两倍，得到第一方向第一乘子；

30、计算所述管间距与所述多孔介质孔隙率的乘积，将该乘积除以所述管间距与所述管外径的差值，并对所得商值进行平方运算，得到第二乘子；

31、将所述第一方向第一乘子与所述第二乘子相乘，得到第一方向多孔介质阻力系数；

32、将所述第一方向多孔介质阻力系数、流体密度、速度矢量大小以及第一方向速度分量进行连乘，得到第一方向多孔介质阻力分量；

33、对第二方向执行与第一方向相同的计算步骤，得到第二方向多孔介质阻力分量。

34、进一步的，s5中，基于所述运行工况参数预设的边界条件和初始条件，对所述凝汽器壳侧流场计算模型进行数值求解，包括：

35、设定所述边界条件，其中壁面设定为绝热边界，设定出口绝对压力边界条件并在出口处将不凝性气体回流组分质量分数设定为与入口处不凝性气体质量分数一致或采用邻近单元外推处理，并设定入口流速以及入口不凝性气体质量分数；

36、设定所述初始条件，包括设定接近凝汽器实际运行工况的绝对压力作为初始绝对压力，并设定流场各个方向的初始速度、初始湍流动能以及初始比耗散率；

37、当满足连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的残差均低于设定残差阈值，且出口质量流量随迭代的相对变化小于设定变化阈值时，判定数值求解收敛。

38、进一步的，s6中，基于所述流场数据建立以换热量与压降比值为表征的能效目标函数，包括：

39、提取所述流场数据中的凝结质量流量、进口压力数据以及出口压力数据；

40、将所述凝结质量流量与流体对应的气化潜热相乘，得到所述换热量；

41、将所述进口压力数据与所述出口压力数据相减，得到所述压降；

42、将所述换热量除以所述压降得到的商值，作为所述能效目标函数的值。

43、进一步的，s6中，基于所述不凝性气体浓度场和所述速度场识别抽气口候选区域，包括：

44、计算所述不凝性气体浓度场的全场不凝性气体平均质量分数及浓度标准差，并计算所述速度场的全场平均速度；

45、在全场遍历各流场区域，当该区域当地不凝性气体质量分数高于所述全场不凝性气体平均质量分数与一倍所述浓度标准差之和，且当地速度大小低于所述全场平均速度的一半时，将该区域划定为所述抽气口候选区域。

46、进一步的，s6中，采用全局优化算法更新所述抽气口候选区域内的抽气口位置并重新进行数值求解，迭代至满足收敛准则后输出最优抽气口位置，包括：

47、在所述抽气口候选区域内采用拉丁超立方采样生成预设数量的初始样本点坐标；

48、根据各所述初始样本点坐标分别更新所述凝汽器壳侧流场计算模型中的抽气口位置，并执行数值求解获得对应的能效目标函数值，以此构建初始样本集；

49、基于所述初始样本集构建克里金代理模型，采用遗传算法在所述克里金代理模型上搜索使预测的能效目标函数值达到最优的候选点坐标；

50、将所述候选点坐标代入所述凝汽器壳侧流场计算模型执行真实的数值求解，获取真实的能效目标函数值并补充至样本集以更新所述克里金代理模型；

51、重复执行代理模型搜索与更新操作，当连续设定次数内最优候选点对应的所述真实的能效目标函数值的相对变化小于设定的收敛阈值时，判定满足收敛准则停止迭代。

52、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果：

53、1、本发明通过将冷却管束等效为多孔介质模型并加载多孔介质阻力源项与汽液两相冷凝传质模型，在近真空工况边界条件下进行数值求解获得流场数据，再基于换热量与压降比值的能效目标函数，结合不凝性气体浓度场与速度场识别抽气口候选区域，采用全局优化算法动态迭代寻优，最终输出最优抽气口位置，从而在保证凝结换热仿真精度的同时大幅降低计算成本，实现抽气口位置的定量化、自动化优化。

54、2、本发明将冷却管束所在区域等效为多孔介质模型，以孔隙率、阻力特性表征逐根离散的冷却管束，避免全尺寸逐根建模，使管束区的网格规模由千万级别大幅压缩，在保证流场求解精度的同时显著降低计算资源需求与仿真成本；在控制方程中加载汽液两相冷凝传质模型并引入多孔介质阻力源项修正，弥补传统cfd软件内置相变模型对蒸汽凝结传热传质过程刻画不足的缺陷，提高壳侧凝结换热过程的仿真精度；

55、依据实际运行工况设定近真空环境下的边界条件与初始条件，并以残差与出口质量流量双条件判定收敛，保证所得流场数据为稳定的物理解，提高流场仿真结果的可靠性；构建以换热量与压降比值为表征的能效目标函数，基于不凝性气体浓度场与速度场识别抽气口候选区域，并采用全局优化算法动态迭代寻优，实现抽气口位置的定量化、自动化确定，摆脱对物理试验与经验判断的依赖；以凝汽器实际结构与运行条件为依据确定建模与求解所需参数，使整个优化设计方法能够适配不同结构形式的凝汽器，提高方法的工程普适性。