本发明涉及用于热交换器的数值模拟的计算机实现的方法。本发明的特征在于使用包括多个基本体积(volume)的数值模型，使得它们全部对应于相同的配置，使得所有基本体积的连结再现了在第一流体与第二流体(分别为热流体与冷流体)之间发生热传递的体积。在模拟热交换器的行为之前，对参考体积进行多个cfd(计算流体动力学)模拟，该参考体积也具有基本体积的配置。这些多个模拟在不同的流动条件下进行，以便对输入变量的整个可能空间进行采样，并且确定该体积中的感兴趣的变量。利用插值技术的该组模拟允许在任何输入条件下确定基本体积的行为，而不必对基本体积重新运行cfd模拟，因为这在计算上是昂贵的。该模拟方法在该组基本体积上建立迭代方法，使得使用由插值模块提供的数据来更新每个体积的相关变量，而不需要对流运行经典模拟。在该模拟中，考虑到通过基本体积的边界之一的任何流量的流出是在公共边界处的相邻基本体积的流入。结果是针对预定操作条件评估热交换器的整个体积中的感兴趣的变量，而不需要对热交换器的整个体积进行完整模拟，并且不需要以这样的模拟所需的尺度进行。
背景技术：
1、技术发展的最重要的领域之一是热交换。
2、在具有环境影响的所有方面中的日益严格的规定已经迫使还基于某种碳氢化合物的燃烧的内燃机或涡轮机在更高的温度下工作以便更高效。
3、废气携带的热在许多应用中必须在越来越小的空间中传递至另一流体。冷却器、发电过程中将热传递至随后被涡轮增压的流体的提取阶段或者提供兰金循环的提取阶段都是这种情况。
4、在另一情况下并且在本发明的上下文中，在发动机引气热交换器中发现最严苛的应用之一，其中热流体源是涡轮发动机的高级压缩机，并且该热流体源旨在提供温度适合的空气，以提供可以被引入乘客和机组人员所在机舱中的大气。
5、该热交换器位于空间非常有限的地方，并且热空气的温度甚至可能高于500℃，使用冷风扇空气将其冷却至200℃。经冷却的引气被供应至机舱组件和机翼防冰系统，仅举几个应用。
6、这些要求需要热传递在非常小的体积内进行，因此需要以非常有效的传递机制进行。
7、提高热传递效率涉及使用具有复杂和弯曲形状的各种配置的耗散翅片，以增加热交换表面面积相对于体积的密度。
8、虽然这是可能的，但是考虑到设计，确定其实际效率和性能具有两种替选方案。第一替选方案是建立物理原型来评估其在操作条件下的行为。目前，在设计演进过程中针对每个测试构建原型使得该替选方案在成本和时间方面都不可行。
9、目前，使用计算技术特别是cfd技术对这种类型的设计进行评估，以模拟每个原型的行为，从而加速设计过程，因为原型取代了代码验证过程通过时模拟的物理实体。
10、cfd计算技术的示例是有限元方法、有限体积方法、有限差分技术或者甚至谱方法。
11、然而，即使是第二替选方案也具有其局限性。上面确定的非常高的要求致使几何形状包括非常复杂且小的体积和导管，两种流体通过所述体积和导管在非常高的雷诺状态下循环。对这些条件的正确模拟要求使用非常密集的网格和非常高数目的节点进行离散化(discretization)，例如使用有限元方法或有限体积方法进行离散化。
12、由于雷诺数也非常高，因此湍流状态建立了要求解的非常不同的尺度范围，这迫使使用非常复杂的湍流模型或者甚至更精细的离散化网格。
13、例如，当前操作条件下的典型热交换器用例甚至可能需要模拟，该模拟需要使用非常强大的计算机进行一年半的计算。在这些条件下，模拟也是不可行的。
14、用于降低计算成本的常用技术基于网格细化技术，其中节点的最高密度例如集中在某些变量的梯度或变化更相关的地方。
15、该相同技术允许这些强烈变化不存在的那些区域，节点的密度较低，并且计算成本也较低。
16、然而，当复杂的几何形状在整个体积中是复杂的时(如在这种情况下)，为了促进整个体积中尽可能高的热传递，网格细化技术对具有很少变化的自由区域不起作用，因为强烈变化存在于整个域中。
17、还存在用于求解由给定离散化引起的数值问题的收敛加速技术。示例是多重网格技术。然而，虽然求解器极大地加速了收敛，但是这些技术需要维护与更精细网格相关联的数据结构，并且另外，还需要包括多个越来越粗的网格以求解与长尺度相关联的误差。
18、本发明的目的是如下计算方法，该计算方法改变了表示确定热交换器的行为的相关变量的数据结构被构建的方式并且还改变了分辨率的模式。特别地，所提出的方法不需要建立整个域的精细离散化，并且因此极大地降低了两种计算资源(内存量和cpu时间)。
技术实现思路
1、本发明的第一方面是一种用于热交换器的数值模拟的计算机实现的方法。特别地，本发明的该方面对于确定飞行器的引气热交换器的热变量非常有用，其中规范非常严苛。
2、来自飞行器的涡轮发动机的压缩机的高压级或中间级的热流的入口处于非常高的温度，在出口导管中甚至约为600摄氏度。相比之下，飞行器在巡航高度处飞行时的外部空气可以达到零下60摄氏度或甚至更低。
3、需要降低入口热空气的温度，以将具有合适温度的该空气分配至机舱的不同部分，而不需要加热直接从大气中获取的空气。
4、热交换必须在非常小的空间内进行，因此热交换器的内部结构必须非常有效。高效结构包括热流体与冷流体之间的非常高数目的通道和隔开表面，使得使用标准计算流体动力学(cfd)技术进行模拟需要非常精细的网格。非常精细的网格对计算资源特别是内存和计算时间提出了非常高的要求。据估计，针对交换器(例如，具体描述的交换器)的足够精细的离散化目前在强大的计算机上可能需要约两年的计算时间，即完全无法负担的时间。
5、相反，根据本发明的第一方面，所提出的方法需要非常少的计算资源，因为存储需求少得多，并且最重要的是，计算时间极其少，能够以类似的准确度用小时量级的计算时间来执行对相同交换器的模拟。
6、根据示例，模拟方法的输入数据来自热气流(来自压缩机)和冷空气流(来自大气)的真实条件下的测量，使得模拟提供热交换器出口处的最相关的值。例如，最有用的参数是压力下降、出口温度和质量流率。这些参数又可以用作制动器的输入，制动器根据输出变量建立其他设备的特定行为。
7、根据另一示例，输出变量用于通过使规格适应所需规格来修改热交换器的设计。
8、特别地：
9、-热交换器被配置成在第一流体与第二流体之间交换热，第一流体是热流体，并且第二流体是冷流体；
10、-热交换器包括用于第一流体的第一输入端口和第一输出端口以及用于第二流体的第二输入端口和第二输出端口；
11、-热交换器包括热交换体积，该热交换体积包括将第一流体与第二流体隔开并且用于在两种流体之间交换热的热交换壁。
12、因此，热交换器具有用于第一流体的入口端口和出口端口，并且还具有用于第二流体的入口端口和出口端口。两种流体在热交换器内不接触，而总是由热交换壁隔开。
13、根据优选示例，第一流体和第二流体的流动是横向的。
14、类似地，根据现有技术，进入流通常被分割成靠近入口端口定位的入口歧管中的若干通道，所述通道优选按层或级别分布。在出口处，通道再次会聚在用于第一流体的出口歧管的公共空间中和用于第二流体的出口歧管的公共空间中。
15、在热交换器内部，包含用于第一流体通过的腔或通道、用于第二流体通过的腔或通道以及用于将热从热流体传递至冷流体的两个空间的隔开表面的整个体积是要被确定为交换体积的体积。
16、根据以下步骤模拟热交换器的整体行为：
17、-根据以下步骤生成数值模型：
18、-将热交换体积离散化为基本体积，其中，每个基本体积包括：
19、用于第一流体的第一入口边界区域和第一出口边界区域；
20、用于第二流体的第二入口边界区域和第二出口边界区域；
21、将第一流体与第二流体隔开的热交换壁的至少一部分；
22、其中，所有基本体积的热交换壁的部分以及入口边界区域和出口边界区域具有相同的配置和形状；
23、其中，该离散化使得基本体积的并集是热交换体积，并且热交换壁的部分的并集是热交换器的热交换壁。
24、这是交换体积离散化为所谓基本体积的特定形式。所有基本体积具有相同的形状，包含用于第一流体通过的空间、用于第二流体通过的空间以及第一流体与第二流体之间的热交换壁。同样，每种流体的空间具有穿过基本体积的边界的对应入口区域和对应出口区域。
25、每个基本体积的边界不是物理边界，因为每个基本体积是控制体积。
26、-分配数据结构，用于存储热交换壁的流体参数和热特性，用于在每个基本体积处存储至少用于第一流体的流体值和用于第二流体的流体值；
27、-在位于热交换体积的边界处的基本体积的那些入口区域/出口区域上填充与热交换器的边界条件对应的流体值。
28、该特定离散化允许存储减少数目的变量。根据优选示例，要存储的变量分别是每个第一流体空间和第二流体空间的入口和出口处的流体动力学和热力学变量以及热交换壁部分的温度。
29、在开始时，尽管预见到用于存储所有变量的必要资源，但仅在与流输入、边界条件对应的那些位置分配值，因为后续迭代过程将确定其余的值，直至第一流的输出和第二流的输出为止。
30、-对估计模块进行实例化，用于通过估计参考基本体积的数值模拟的结果而在输入入口区域处的流体值时提供基本体积的出口区域处的流体值。
31、使用具有相同形状的基本体积使得可以创建模块，该模块根据输入变量提供输出的估计，因为被修改的仅一个参数/多个参数是输入变量。
32、术语“实例化”是在例如面向对象的编程中使用的意义上使用的，即使它在计算机上实现的特定方式没有利用面向对象的编程技术。该术语应被解释为提供必要的计算资源例如用于它需要操纵的变量的内存或者执行特定于其所属的功能的子任务的可执行代码的部分，使得模块被生成并且与提供其被编程的服务的计算机实现的程序的其他部分通信。
33、根据优选示例，使用针对一大组输入条件(即，针对各种流体动力学和热力学输入条件)的数值模拟来生成模块，以在这些条件下确定流体动力学和热力学输出条件。在操作模式下，该模块接收任何输入条件，并且通过对已执行模拟的值进行插值提供输出处的流体动力学变量。
34、-在入口区域处具有可用值的所有基本体积上迭代，在每次迭代时通过使用估计模块来更新出口区域处的值，迭代直至在经更新的值的增量上评估的预定范数低于预定阈值为止；
35、-作为先前迭代步骤的结果，返回存储基本体积的所分配的数据结构的至少一个流体值。
36、使用估计器模块使得可以避免在每个基本体积内进行模拟，从而大大降低计算成本。由于计算成本的降低是在最内层的迭代循环(该迭代循环经历基本体积中的每一个)中进行的，因此对降低总计算成本的影响非常大。
37、在基本体积的更新中建立的顺序不是唯一的，要更新的基本体积在输入处具有可用的流体动力学和热力学值就足够了。估计器模块评估输出处的流体动力学和热力学值。由于每个基本体积具有另一基本体积，因此基本体积的一个输出或多个输出将是相邻基本体积通过在一个基本体积与另一基本体积之间建立分割或隔开的表面的输入。
38、一旦建立了数学范数，则度量可用于评估存储在基本体积中的值被更新的校正。以这种方式，可以在迭代过程期间测量校正是否低于预定阈值，以允许考虑到已经达到迭代方法的收敛而具有停止标准。
39、该方法返回至少一个流体值或热力学值，然而，为了评估热交换器效率和流出条件，具有所有计算值是令人感兴趣的。
40、根据实施方式，生成数值模型包括生成：
41、第一参考体积模型，该第一参考体积模型包括第一流体的边界区域和用于将第一流体与第二流体隔开的热交换壁的部分，以及
42、第二参考体积模型，该第二参考体积模型包括第二流体的边界区域和用于将第一流体与第二流体隔开的相同的热交换壁的部分，
43、其中，
44、第一参考体积模型的边界区域和第一参考体积模型的热交换壁的部分具有容纳第一流体的体积和基本体积中的任何基本体积的热交换壁的部分的形状，
45、第二参考体积模型的边界区域和第二参考体积模型的热交换壁的部分具有容纳第二流体的体积和基本体积中的任何基本体积的热交换壁的部分的形状。
46、已经发现，当模拟基本体积时，建立两个单独的参考模型(第一参考体积模型和第二参考体积模型)在计算上更有效。第一参考体积模型是考虑第一流体的演变并且结合基本体积的交换壁部分的模型。在该第一参考体积模型的模拟期间，感兴趣的是第一流体向交换壁的热传递以及第一流体在出口处的流体和热条件。
47、第二参考体积模型是考虑第二流体的演变并且结合基本体积的交换壁部分的模型。也就是说，两个参考模型都包含同一壁。在第二参考体积模型上进行的模拟允许确定现在从壁传递至第二流体的热以及第二流体在出口处的流体和热条件。
48、根据该实施方式，它还包括：
49、-针对在第一参考体积模型的入口边界处的第一流体的流体变量并且针对热交换壁温度对预定的第一多维域进行采样，并且针对在第二参考体积模型的入口边界处的第二流体的流体变量并且针对热交换壁温度对预定的第二多维域进行采样；
50、-对于第一多维域的每个采样点，执行第一参考体积模型的数值流体模拟，响应于入口边界处的入口流体值确定出口边界处的第一流体的流体变量的值；以及
51、对于第二多维域的每个采样点，执行第二参考体积模型的数值流体模拟，响应于入口边界处的入口流体值确定出口边界处的第二流体的流体变量的值。
52、根据该实施方式，针对第一参考体积模型和第二参考体积模型两者建立了所有输入相关变量、参考模型的入口区域处的流体变量和壁温度的空间中的多维域。根据该示例实施方式，有必要证明对与第一参考体积模型的输出对应的变量的估计结果独立于对与第二参考体积模型的输出对应的变量的估计。
53、尽管当该方法已经收敛到数值解时，针对第一参考体积模型和第二参考体积模型，基本体积中的壁温度应当是相同的，但是在迭代过程期间并非如此。对两个参考体积模型的输出变量的估计独立的事实允许在单个迭代核中建立两个模型之间的收敛(主方法的收敛)，从而进一步降低计算成本。
54、根据该实施方式，它还包括：
55、-对第一插值模块进行实例化，用于通过对第一参考基本体积模型的模拟结果进行插值而在输入第一参考体模型的入口区域处的流体值时提供出口区域处的流体值；以及
56、-对第二插值模块进行实例化，用于通过对第二参考基本体积模型的模拟结果进行插值而在输入第二参考体模型的入口区域处的流体值时提供出口区域处的流体值。
57、继续该示例，一旦已经对多维域的每个变量进行采样，则在第一参考体积模型和第二参考体积模型两者中进行数值模拟，以便在经采样的多维空间的点集合中也具有输出变量。在这些样本上，例如借助于非常一般形式的插值技术，针对多维空间的任何输入值建立估计器，其中所述非常一般形式的插值技术被解释为插值技术，也被解释为基于使用利用在模拟中获得的数据训练的机器学习装置或模块的那些插值技术。
58、根据更具体的实施方式，其中，该方法在基本体积上迭代，每次迭代包括以下步骤：
59、-预先确定基本体积的热交换壁的部分的温度的初始值，所述值优选地在第一流体的入口区域处的温度与第二流体的入口区域处的温度之间选择；
60、-确定从第一流体传递至热交换壁的部分的热；
61、-确定从热交换壁的部分传递至第二流体的热；
62、-响应于两个确定的热量的差来更新热交换壁的部分的温度的值。
63、通过使用允许分别估计第一参考体积模型和第二参考体积模型中的输出条件的估计器，还允许分别计算从第一流体传递至交换壁的热和从壁传递至第二流体的热。
64、一旦验证了该方法的收敛，则这两个量相等，但不是在收敛之前，因为最初假设的壁温度不足。因此，该方法根据两个热量之间的差来更新基本体积中的交换壁温度的值。
65、根据更具体的实施方式，基本体积的热交换壁的部分的温度的初始值是其中，是第一流体的入口边界区域处的温度，并且是第二流体的入口边界区域处的温度。
66、该方法的收敛取决于第一估计值与允许开始迭代过程的值的接近程度。已经发现，取基本体积中的热交换壁的部分的温度的初始值的该特定方式是减少后续迭代次数的良好估计器。
67、根据更具体的实施方式，从第一流体传递至热交换壁的部分的热和从热交换壁的部分传递至第二流体的热被计算为：
68、-并且
69、-和分别是第一流体和第二流体的质量流量；
70、-和分别是第一流体和第二流体在恒定压力下的热容；以及
71、-ttot表示流体的总温度，其中，索引h，c分别表示第一流体和第二流体，并且in，out分别表示入口边界区域和出口边界区域。
72、根据更具体的实施方式，根据以下步骤确定热交换壁的部分的温度的更新：如果qh＞qc，则热交换壁的部分的温度的值被更新为递增值e，并且如果qh＜qc，则热交换壁的部分的温度的值被更新为递减所述值e，其中，e是根据当前迭代的值的热传递与最大热传递之间的比率；所述比率优选地被估计为：
73、
74、其中，
75、根据前述示例中的任一示例的具体实施方式，至少针对第一流体的入口端口处的入口条件是均匀的，其中，在基本体积上的迭代在基本体积的层上延伸，并且流体和热特性传播到热交换体积的其余部分。
76、至少针对第一流体的入口处的均匀流动条件又针对形成热交换器的层中的每个层建立相同的条件，通过层理解形成堆叠层的的基本体积组，该堆叠层构成热交换体积的离散化。这允许层之一的计算及其结果传播到其余层，从而确定整个计算域的热和流体条件。这些条件将被确定为分层条件。
77、根据前述示例中的任一示例的具体实施方式，一组基本体积以如下方式移位：
78、-每个移位的基本体积的热交换壁的部分是两个相邻的基本体积的前边界；
79、-容纳第一流体的移位的基本体积的区域和容纳第二流体的移位的基本体积的区域是相邻的且容纳在两个相邻的未移位的基本体积中的那些区域。
80、特别地，根据先前示例的优选实施方式，迭代方法也在移位的基本体积上执行。
81、将整个热交换体积离散化成基本体积建立了整个计算域的离散化。然而，尤其是当由于第一流体的入口端口或入口歧管处的复杂条件而导致流不分层时，该离散化仅考虑完全在基本体积内的那些热交换壁，而不考虑可能位于相邻布置的热交换体积之间的边界处的那些热交换壁。
82、在这些特定情况下，根据本发明的该实施方式，它们通过已经生成的基本体积的位移来生成。该位移使得现在被位移或移位的基本体积在其内部具有先前在相邻基本体积之间的热交换壁。
83、对基本体积进行的迭代也延伸至移位的基本体积，使得现在考虑通过先前位于隔开基本体积的边界处的壁传递的热。
84、当基本体积的配置使得热交换壁的部分根据平面延伸时，该平面在一侧和另一侧将第一流体和第二流体分别流过的空间隔开，则移位的基本体积示出类似的配置，仅由第一流体占据的体积现在由第二流体占据，并且由第二流体占据的体积现在由第一流体占据。
85、在基本体积之间并不总是存在形状为平面的热交换壁。例如，存在在空间中将第一流体与第二流体隔开的复杂方式，例如由满足沿三个主要方向的周期性条件的螺旋体设计的热交换翅片所形成的方式。在这种情况下，根据本发明的第一方面的一般方法也适用。
86、本发明的第二方面是一种包括指令的计算机程序产品，当由计算机执行该程序时，所述指令使计算机执行根据前述实施方式中任一项的方法的步骤。
1.一种用于热交换器(1)的数值模拟的计算机实现的方法，其中，
2.根据权利要求1所述的方法，其中，生成数值模型包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在基本体积(ev)上迭代，每次迭代包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的方法，其中，基本体积(ev)的热交换壁(1.6)的部分(1.6.1)的温度(tw)的初始值是其中，是所述第一流体(fh)的入口边界区域(evih)处的温度，并且是所述第二流体(fc)的入口边界区域(evic)处的温度。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的方法，其中，
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，如果qh＞qc，则热交换壁(1.6)的部分(1.6.1)的温度(tw)的值被更新为递增值e，并且如果qh＜qc，则热交换壁(1.6)的部分(1.6.1)的温度(tw)的值被更新为递减所述值e，其中，e是根据当前迭代的值的热传递与最大热传递之间的比率；所述比率优选地被估计为：
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少针对所述第一流体(fh)的输入端口(1.1)处的入口条件是均匀的，其中，在基本体积(ev)上的迭代在基本体积(ev)的层上延伸，并且流体和热特性传播到所述热交换体积(1.5)的其余部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，一组基本体积(ev)以如下方式移位：
9.根据权利要求8所述的方法，其中，迭代方法也在所述移位的基本体积(ev)上执行。
10.一种包括指令的计算机程序产品，当由计算机执行程序时，所述指令使所述计算机执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的步骤。
