基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法

摘要

本发明公开了基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，通过编写程序，调用REFPROP物性软件，将物性计算、传热计算和计算结果图形处理完美地融合在一起，可以针对不同超临界流体介质，选择不同传热关联式模型，对不同工况参数下的管内超临界流体对流传热展开可视化计算分析。本发明所达到的有益效果：本发明将MATLAB的数值计算、图形处理功能和REFPROP的物性计算功能有效结合，进而高效准确地对超临界流体的物性和对流传热展开计算，可研究不同参数变化对物性和传热的影响，并进行可视化分析，同时还可以与相关实验数据进行比较以校验计算的准确性和可靠性，具有一定的应用价值和应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MATLAB的管内超临界流体对流传热可视化分析方 法，属于MATLAB应用技术领域。

背景技术

超临界流体作为一种优良的传热介质，在超临界火电、超临界水堆核电、有 机朗肯循环低温发电以及跨临界制冷循环等技术领域中均有应用，超临界流体 的传热计算可以为相关技术的研发提供依据。超临界流体的传热具有特殊性， 其根本原因是流体的热物理性质在超临界区内变化剧烈，因此传热计算和物性 计算必须耦合在一起。

传统的超临界流体管内对流传热计算中，物性计算一般作特殊的简化处理， 处理过程较为繁琐，导致计算精度一般，并且计算结果的后处理还需借助专门 的绘图软件。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于MATLAB的管内 超临界流体对流传热可视化分析方法，将超临界流体的物性计算、传热计算以 及计算结果后处理有效结合起来。该方法以完全图形化的用户操作界面，能够 满足不同超临界流体介质和不同超临界工况的计算要求，计算可靠，使用方便。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，其特征是：包 括超临界流体热物理性质分析模块和超临界流体对流传热分析模块，包括以下 步骤：

1)在MATLAB软件中利用GUIDE提供的控件设计GUI界面，并生成M文 件框架；

2)用户在M文件框架中将GUI界面初始化并设置回调函数，所述回调函数 用于控制GUI界面的各种特征和响应；

3)在超临界流体热物理性质分析模块中，在MATLAB平台下调用REFPROP 物性软件，得到超临界压力下流体的物性值；

4)在超临界流体对流传热分析模块中，MATLAB读取此时的工况信息，通 过迭代，实时将数据保存到其工作空间workspace内，分别研究系统压力、 管道直径、热流密度和质量流量对换热系数的影响；

5)MATLAB接收GUI界面中输入的各个工况参数的变化范围，将多个参数 的变化处理成多层循环嵌套；

6)MATLAB通过嵌套循环完成各个参数变化组合工况下的建模仿真。

前述的基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，其特征是： 所述超临界流体热物理性质分析模块通过MATLAB调用REFPROP物性软件进行 物性计算，用于进行超临界流体物性分析，包括选择工质模块、选择研究的物 性模块和输入超临界工况模块；所述超临界流体对流传热分析模块通过MATLAB 调用REFPROP物性软件进行物性迭代计算，用于进行超临界流体对流传热分析， 包括工质选择模块、选择关联式模型模块、超临界工况模块和输出变量选择模 块。

前述的基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，其特征是： 所述步骤2)中，在生成的M框架文件中，对GUI界面初始化，设置选择模块 用于选择所要研究的工质。

前述的基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，其特征是： 所述步骤3)中设置所要生成物性曲线的初始温度、结束温度和压力参数，调用 REFPROP物性软件，得到超临界压力下流体的相关物性值。

前述的基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，其特征是： 所述步骤4)中选择具有代表性的经验关联式，研究系统压力、管道直径、热流 密度和质量流量对换热系数的影响；设置计算区间(主流温度区间或主流焓值 区间)、管径、系统压力、质量流量、热流密度参数，通过迭代计算得到壁温， 通过循环嵌套得到冷却管内的换热系数和壁温。

前述的基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，其特征是： 计算结束后，导入实验数据与计算值进行比较，检验其精确度。

前述的基于MATLAB的超临界流体对流传热可视化分析方法，其特征是： 所述步骤6)中，对于所有参数对应的整个嵌套循环，由外层循环逐层进入内层 循环，在内层循环终止后，接着执行外层，再由外层循环进入内层循环中，当 最外层循环执行完成时，全部仿真完成。

本发明所达到的有益效果：本发明将MATLAB的数值计算、图形处理功能 和REFPROP的物性计算功能有效结合，进而高效准确地对超临界流体的物性和 对流传热展开计算，可研究不同参数变化对物性和传热的影响，并进行可视化 分析，同时还可以与相关实验数据进行比较以校验计算的准确性和可靠性，具 有一定的应用价值和应用前景。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的平台界面图；

图3为本发明中超临界流体热物理性质分析模块的GUI界面；

图4为本发明中超临界流体对流传热分析模块中压力对换热系数的影响的 GUI界面；

图5为本发明中超临界流体对流传热分析模块中常见关联式与实验数据比较 的GUI界面；

图6为本发明的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明所涉及的一种基于MATLAB的管内超临界流体对流传热可视化分析 方法，包括超临界流体热物理性质分析模块、超临界流体对流传热分析模块和 GUI界面，其中超临界流体热物理性质分析模块包括选择工质模块和超临界工 况模块，用于进行超临界流体物性分析；超临界流体对流传热分析模块包括关 联式模型、超临界工况模块和输出变量选择模块；GUI界面用于仿真显示，更 加方便、简洁的操作，具体使用包括以下步骤：

1)在MATLAB软件中利用GUIDE提供的控件设计GUI界面，并生成M文 件框架；

2)用户在M文件框架中将GUI界面初始化并设置回调函数，这里回调函数 用于控制GUI界面的各种特征和响应。对GUI界面初始化时，设置选择模块用 于选择所要研究的工质。

3)在超临界流体热物理性质分析模块中，在MATLAB平台下设置所要生成 物性曲线的初始温度、结束温度和压力参数，调用REFPROP物性软件，得到超 临界压力下流体的相关物性值；

4)在超临界流体对流传热分析模块中，MATLAB读取此时的工况信息，通 过迭代，实时将数据保存到其工作空间workspace内，选择具有代表性的经验关 联式，研究系统压力、管道直径、热流密度和质量流量对换热系数的影响。设 置计算区间(主流温度区间或主流焓值区间)、管径、系统压力、质量流量、热 流密度参数，通过迭代计算得到壁温，通过循环嵌套得到冷却管内的换热系数 和壁温。计算结束后，导入实验数据与计算值进行比较，检验其精确度。

5)MATLAB接收GUI界面中输入的各个工况参数的变化范围，将多个参数 的变化处理成多层循环嵌套；

6)MATLAB通过嵌套循环完成各个参数变化组合工况下的建模仿真。对于 所有参数对应的整个嵌套循环，由外层循环逐层进入内层循环，在内层循环终 止后，接着执行外层，再由外层循环进入内层循环中，当最外层循环执行完成 时，全部仿真完成。

下面结合具体的实施例进行下说明：

如图1所示，先在M文件中编写程序代码选择所要研究的物质，然后分别 在回调函数中编写超临界热物理性质模块和超临界流体对流传热分析模块，其 中可以在超临界对流传热模块中，可以人工将实验数据文件*.txt导入到 MATLAB中，与仿真数据进行对比。

如图2-图6是选择超临界流体工质进行物性分析和传热分析的界面示意图， 可以看出本发明将MATLAB的数值计算、图形处理功能和REFPROP的物性计 算功能有效结合，进而高效准确地对超临界流体的物性和对流传热展开计算， 研究不同参数变化对物性和传热的影响，并进行可视化分析，同时还可以与相 关实验数据进行比较以校验计算的准确性和可靠性，界面直观便于分析。

同传统方法相比，本方法使得REFPROP在功能上成为MATLAB的一个内 嵌模块，将MATLAB的数值计算、图形处理功能和REFPROP的物性计算功能 有效结合，进而高效准确地对超临界流体的物性和对流传热展开计算，可研究 不同参数变化对物性和传热的影响，同时人工与GUI界面交互，只需进行一次 设置，其他所有操作均由后台程序自动完成，极大提高了仿真过程的自动化、 仿真效率及数据处理效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。