长时间流固耦合传热过程的快速算法.pdf

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1、2017年6月第43卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2017V01．43No．6http：?fbhxb．buaa．edu．cn、buaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0447长时间流固耦合传热过程的快速算法孟繁超，董素君4，江泓升，王浚(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：针对千秒级长时间流固耦合传热(CHT

2、)过程求解问题，进一步提出一种基于准稳态流场的全局瞬态紧耦合传热的新型松耦合算法。交替使用单独对流体区域进行稳态流场求解的算法更新流场，以及同时对流固区域进行瞬态传热求解的算法计算瞬态温度场。该算法相对于传统流固松耦合算法，可以大大减小流场更新频率，进一步显著提高计算效率。以管内定来流速度空气连续300S的强制对流瞬态加热过程为例，利用Fluent软件证明了该算法相对于瞬态紧耦合算法获得的管体结构温升最大偏差为5％，而计算耗时减小到14．8％。关键词：流固耦合传热；松耦合；准稳态；计算流体力学(CFD

3、)；强制对流中图分类号：TKl24文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)06．1224．07流固耦合传热(ConjugateHeatTransfer，CHT)广泛存在于机械、动力、能源、航空航天、化工和核工等工程领域。它一方面指流体与固体内传热过程通过流固交界面的位移、形变、传热和相变等作用相互耦合，另一方面指流固交界面上流动、辐射和烧蚀等不同物理过程相互耦合。Stokos⋯、Hooper。2o、Kazemi．Kamyabp。等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计

4、算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。为此，研究者们从不同程度上解除流固之问或各物理过程之间的耦合关系，开发了具有不同计算效率、不同计算精度的求解方案。根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题H⋯。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解，并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的

5、瞬态松耦合传热问题(100se—coupledtransientconjugateheattransferproblems)的求解。如Bauman垆。和Kazemi．Kamyabl7。副等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体Navier—Stokes方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner等一1针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体Navie

6、r．Stokes方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。考虑到通常情况下流固耦合传热过程中流体流动过程特征时间往往与固体传热过程特征时间相差3～4个数量级，有些研究者进一步提出对各收稿日期：2016-05．24；录用日期：2016-10—14；网络出版时间：2016-11—1610：10网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V

7、．20161116．1010．001．html十通讯作者：E-mail：dsj@buaa．edu．cn引甩格式：盂繁超，董素君．江泓升．等．长时阊流固耦合传熟过程的快速算法[，]．北京航空航天大学学报，2017，43(6)：1224-1230．MENGFC．DONGSJ．JIANGHS．eta1．Afastalgorithmforlong-termfluid-solidconjugateheattransferprocessC

8、]．JournalofBeijingUniversityofAeronau

9、ticsandAstronautics，2017，43(6，：1224—1230(inChinese)．第6期孟繁超，等：长时间流固耦合传热过程的快速算法物理过程使用不同的瞬态时间步长的瞬态松耦合算法，以提高计算效率。如Lilml和Miller¨u等分别利用该算法求解火箭发动机点火过程及高超声速流固耦合的应力分析问题。但是研究结果表明，上述瞬态松耦合算法中均包含小特征时间的瞬态流场求解，计算效率的提高非常有限，无法满足实际工程中遇到的千秒级长时间耦合问题