通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法、装置和存储介质

技术领域

本发明属于冷却装置中温度预测技术领域，涉及一种通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法。

背景技术

对于冷却装置，往往需要在一定进气条件下对其出口处空气温度进行估算，从而评估冷却装置的冷却效果。通气冷却装置降温过程中，高温空气以一定速度和温度不断的从进气口进入并通过通气管流过整个装置，通气管往往为圆管，并浸没于冷水等低温溶液介质中，高温空气通过导热、对流换热、热辐射等形式与降温装置内部通气管低温壁面进行热传递，经换热后空气得到冷却，最终在进气口压力下从冷却装置的出口吹出，实现并对空气的冷却降温，得到所需温度状态空气。由于空气在冷却装置内是不断流动的运动状态，因此其内部换热过程是一个瞬态计算过程，冷却装置出口处空气温度也处于不断变化的状态，其降温效果与空气流通面积、空气流动速度、对流换热面积等因素均存在耦合关系。

现有技术中针对小型通气冷却装置内空气对流换热及出口温度的预测方法主要有以下几种：

第一种，采用稳态传热计算方法对冷却装置内空气单位时间内总换热量进行简单估算，利用集总参数法将单位时间内流过冷却装置的全部空气和冷却装置分别作为一个整体，并按照冷却装置的总换热面积进行稳态计算。这种方法不考虑空气在冷却装置内空气流动过程中的换热情况，对整个传热传质过程模型的简化程度较大，特别是在冷却装置沿空气流动方向长度较长或空气流速较低情况下，对装置出口处空气温度的计算精度较低。

第二种，利用ANSYS ICEM/FLUENT、STAR-CCM+等传热传值仿真商业软件，通过对冷却装置进行三维建模、网格划分、边界条件设定、数值方法选用、仿真计算、结果后处理等过程，对空气的整个冷却降温过程进行仿真计算，并最终得到出口温度随时间的变化情况。该方法是传热过程数值仿真及模拟计算常用的方法之一，其计算精度与网格划分及计算方法选用有较大关系。对于小型通气冷却装置，其通气管尺寸往往比整个装置尺寸小的多，且其内部涉及气体、液体和固体三种不同相态不同工质区域，在这种条件下即使通气冷却装置结构形式简单，也会涉及不同区域内不同尺度网格的划分以及不同区域内网格的相互关联，使得冷却装置模型的网格划分会消耗较长时间，导致虽然需求较为简单明了，但前期准备建模工作复杂、耗时，无法快速给出预测，整体工作效率偏低。

发明内容

为了解决相关技术的问题，本申请提供了一种通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法，技术方案如下：

第一方面，提供一种通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法，包括：

获取冷却装置通气冷却过程的初始条件和边界条件，根据所述边界条件将整个所述冷却装置及整个通气冷却过程在时间和空间两个维度上进行离散化，得到x个时间节点和y个长度节点；

根据所述初始条件对所述冷却装置的通气管中各长度节点处气体温度t

判断i是否小于x；

若i小于x，判断j是否小于y；

若j小于y，计算第i时间节点，第j长度节点处的换热量q(i,j)；根据所述换热量q(i,j)，计算第i+1时间节点，第j+1长度节点处的气体温度t

若j不小于y，根据所述换热量q(i,j)，计算第i时间节点所述冷却装置内换热量累加值Q(i)；根据所述换热量累加值Q(i)，计算第i+1时间节点的溶液温度t

可选地，所述获取冷却装置通气冷却过程的初始条件和边界条件，包括：

获取所述冷却装置的特征数据，所述特征数据包括所述冷却装置的尺寸，所述冷却装置内通气管的数量，所述通气管的管径、厚度及长度；

根据所述冷却装置的降温影响数据，计算所述冷却装置在通气降温过程中的初始条件和所述边界条件，所述初始条件包括通气管进口处的气体温度，所述边界条件包括冷却过程总持续时间，所述降温影响数据包括所述冷却装置所用的溶液工质、通气气体工质、通气管材料工质，以及溶液初始温度、气体初始温度、气体流量、溶液在所述冷却装置内对流换热系数。

可选地，所述根据所述边界条件将整个所述冷却装置及整个通气冷却过程在空间和时间两个维度上进行离散化，得到x个时间节点和y个长度节点，包括：

在时间上的离散化，按照气体冷却降温过程将时间进行离散，得到整个气体冷却过程被分为的x个节点；

在空间上的离散化，按照沿气体流动方向上将通气管长度进行离散，得到通气冷却装置中单根通气管在气体流动方向上被分为的y个节点；

其中，x和y取值分别为：

可选地，所述dt和dL的关系为：

所述单根通气管内气体的流动速度v为：

其中，V

可选地，所述通气管中各长度节点处气体温度t

t

所述通气管中各时间节点气体温度t

t

其中，t

可选地，所述换热量q(i,j)为：

其中，t

可选地，所述第i+1时间节点，第j+1长度节点处的气体温度t

其中，t

可选地，所述换热量累加值Q(i)为：

可选地，所述第i+1时间节点的溶液温度t

其中，t

第二方面，提供了一种通气冷却装置中气体瞬态温度预测装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如上述的气体瞬态温度预测方法。

第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现如第一方面所述的气体瞬态温度预测方法。

基于上述技术特征，本申请至少可以实现如下有益效果：

将高温气体流经通气冷却装置放热降温的传热传质过程，在时间和空间上进行离散化，并通过离散化过程将空气流动与降温的连续变化过程转化为多时间节点、多长度节点下的数值计算过程，相对于利用集总参数法进行稳态计算，提高了整个传热传质过程数学模型的准确性，同时还能预测通气冷却装置内部各时间节点各位置处气体温度。

另外，通过简单的初始条件赋值进行小型通气冷却装置及整个传热传质过程的数学模型的建立，避免了通气管数量、直径等内部尺寸有任何改变后，即需重新进行三维模型绘图、多耦合区域网格划分等仿真软件前处理过程，可以快速给出所需时间或位置处的空气温度，较大程度降低整体建模及计算时间，提高了预测效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法的流程图；

图2是本申请一个实施例中提供的气体温度计算方法的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本申请一个实施例中提供的通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法的流程图，图2是本申请一个实施例中提供的气体温度计算方法的示意图，结合图1和图2，本申请提供的通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法可以包括如下步骤：

步骤101，获取初始条件和边界条件；

在实际应用中，可以获取冷却装置的特征数据，这些特征数据可以包括冷却装置的尺寸，所述冷却装置内通气管的数量，所述通气管的管径、厚度及长度等，如表1：

根据冷却装置的降温影响数据，计算所述冷却装置在通气降温过程中的初始条件和所述边界条件，所述初始条件包括通气管进口处的气体温度，所述边界条件包括冷却过程总持续时间，所述降温影响数据包括所述冷却装置所用的溶液工质、通气气体工质、通气管材料工质，以及溶液初始温度、气体初始温度、气体流量、溶液在所述冷却装置内对流换热系数。

在一种实施例中，初始条件和边界条件可以参见表2所示：

步骤102，节点划分；

由于所述冷却装置体积较小，且通气管在冷却装置内均匀分布，因此这里假设冷却装置内部溶液均匀性较高，同一时刻下各部分温度相等，根据所述边界条件将整个所述冷却装置及整个通气冷却过程在空间和时间两个维度上进行离散化，得到x个时间节点和y个长度节点。

也就是说或，在时间上的离散化，按照气体冷却降温过程将时间进行离散，得到整个气体冷却过程被分为的x个节点；在空间上的离散化，按照沿气体流动方向上将通气管长度进行离散，得到通气冷却装置中单根通气管在气体流动方向上被分为的y个节点。

x的取值为：

气体在冷却装置通气管内流动及换热过程中dt时间内，各位置气体与通气管壁传热、管壁与装置内溶液传热等过程均按照稳态过程计算。

当气体在通气管流动过程中，采用集总参数法将dL距离内气体作为一个整体，此整体中空气温度、流速、密度等参数均相等，与空间位置无关，y的取值为：

其中，T为冷却过程总持续时间，单位可以为s；L为所述冷却装置单根通气管沿气体流动方向上的长度，单位可以为m；dt为整个冷却降温过程中差分时间，dL为气体流动方向上差分长度。

这里的dt和dL成正比，dt为气体在流速v条件下通过差分长度dL所需时间，即按照如下公式计算：

v为单根通气管内气体的流动速度，计算公式如下：

其中，v的单位为m/s，V

本申请提供的离散型数值计算方法能够根据不同的需求，通过调节时间节点长度dt和沿气体流动方向上尺寸节点长度dL，即能够快速方便的调整整个数值计算的精度及所需时间。dt及dL越大则计算速度越快，但计算精度越低；dt及dL越小则计算速度越慢，但计算精度越高。

步骤103，算法初始化；

气体在数值计算的初始状态时，即在i＝1的时间节点，通气管中各长度节点处气体温度均为进口气体温度t

t

气体在数值计算过程中任意时刻通气管进口处，气体温度t

t

其中，t

步骤104，判断i是否小于x；

若i不小于x，即i等于x时，表明时间节点迭代完毕，此时可以结束温度预测。

步骤105，若i小于x，判断j是否小于y；

步骤106，若j小于y，计算第i时间节点，第j长度节点处的换热量q(i,j)；

在第i时间节点，第j长度节点条件下，单根通气管内高温气体、管壁、低温溶液之间的传热过程按照稳态传热过程考虑，该过程发生时间持续dt，该过程发生位置长度为dL，则在第i时间节点，第j长度节点处，单根通气管内高温气体、管壁、低温溶液间在单位时间内的换热量q(i,j)计算公式如下：

其中，i表示第i个时间节点，i＝1,2,3,4......x；j表示第j个长度节点，j＝1,2,3,4......y；q(i，j)为单根通气管在第i时间节点，第j长度节点处高温气体、管壁、低温溶液间在单位时间内的换热量，单位为W；t

步骤107，计算第i+1时间节点，第j+1长度节点处的气体温度t

所述第i+1时间节点，第j+1长度节点处的气体温度t

其中，t

步骤108，将j+1；

在执行完步骤107后，j＝j+1，在将j+1后，继续执行步骤105。

步骤109，若j不小于y，根据所述换热量q(i,j)，计算第i时间节点所述冷却装置内换热量累加值Q(i)；

由于本方法假设内部溶液温度均匀性较高，装置内溶液在同一时刻下各部分温度相等，因此对于同一时刻下每根通气管内，气体、管壁、低温溶液的传热传质情况均相同。继而在冷却装置内共有n根通气管，时间节点长度为dt，则溶液在第i时间节点、dt时间内总吸收热量，即换热量累加值Q(i)为：

步骤110，根据所述换热量累加值Q(i)，计算第i+1时间节点的溶液温度t

第i+1时间节点的溶液温度t

其中，t

步骤111，将i+1。

在执行完步骤110后，i＝i+1，在将i+1后，继续执行步骤104。

气体在数值计算过程中任意时刻通气管出口处，气体温度均为上一时间节点下通气管第y长度节点处气体在步骤107换热公式计算后气体温度，即：

其中，taout(i+1)为第i+1时间节点下通气管出口气体温度，单位为℃。

根据上述步骤及计算过程，即可将高温气体流经通气冷却装置的整个降温过程进行空间及时间两种维度上的离散化，第i+1时间节点气体温度与第i时间节点气体温度直接相关，第j+1长度节点处气体温度与第j节点处气体温度直接相关，从而随着时间的变化，冷却装置内气体不断从进口向出口流动，气体温度随着气体不断向前流动及时间的不断推进而持续变化，最终得到任意时刻下，冷却装置内任意位置及冷却装置出口位置处气体温度。

综上所述，本申请提供的通气冷却装置中气体瞬态温度预测方法，将高温气体流经通气冷却装置放热降温的传热传质过程，在时间和空间上进行离散化，并通过离散化过程将空气流动与降温的连续变化过程转化为多时间节点、多长度节点下的数值计算过程，相对于利用集总参数法进行稳态计算，提高了整个传热传质过程数学模型的准确性，同时还能预测通气冷却装置内部各时间节点各位置处气体温度。

另外，通过简单的初始条件赋值进行小型通气冷却装置及整个传热传质过程的数学模型的建立，避免了通气管数量、直径等内部尺寸有任何改变后，即需重新进行三维模型绘图、多耦合区域网格划分等仿真软件前处理过程，可以快速给出所需时间或位置处的空气温度，较大程度降低整体建模及计算时间，提高了预测效率。

本申请还提供了一种通气冷却装置中气体瞬态温度预测装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如上述的气体瞬态温度预测方法。

本申请还提供了一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现如第一方面所述的气体瞬态温度预测方法。

上述参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信网络从网络上被下载和安装，和/或从可计算机可读介质上被安装。在计算机程序被处理单元执行时，执行本折叠式灭火装置的上述功能。

该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的消防无人机中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该消防无人机中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的确定方法。

需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。