JP4329503B2 - Heat exchanger simulation method, simulation program, and simulator thereof - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換器のシミュレータに関するものであり、熱交換器を検査体積(コントロールボリューム、以下CV)に分割して、この各CVの接続関係を明確にするとともにに、各CV毎に熱交換量をシミュレートし、その結果を総合して全体の熱交換量を演算するようにした熱交換器のシミュレータに関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger simulator. The heat exchanger is divided into test volumes (control volumes, hereinafter referred to as CVs) to clarify the connection relationship between the CVs, and heat is applied to each CV. The present invention relates to a heat exchanger simulator that simulates the exchange amount and calculates the total heat exchange amount by integrating the results.
従来より、熱交換器を含んだ冷媒回路の性能を評価する方法としてカロリーメータ試験法があったが、特殊な試験設備が必要であること、試験時間と手間が掛かること等の短所があるため、これに替わる効果的な方法が必要とされており、その1つとしてコンピュータによるシミュレーションは適切な方法である。 Conventionally, there has been a calorimeter test method as a method for evaluating the performance of a refrigerant circuit including a heat exchanger, but there are disadvantages such as the need for special test equipment and the time and labor of the test. There is a need for an effective alternative to this, and computer simulation is an appropriate method.
このようなコンピュータを使用した冷媒回路のシミュレーション方法の1つとして、特許文献1に示すものがある。この特許文献1記載の発明は、正確な冷媒配管の接続設定を容易に行えるシミュレーション方法を提供することを目的とし、これを実現する手段としては、操作者がキーボードから圧縮機と蒸発器又は凝縮器等の熱交換器との接続関係を入力し、入力された配管接続のデータを行列で(マトリクス)で表現してシミュレーションを行っている。このような方法により、冷媒配管の設定を最小限の入力操作で構築できるようになり、複数の圧縮機や熱交換器を並列に有した冷媒回路のモデル作りを短時間で行え、また、入力ミスも減少させることができる。
上記特許文献1記載の発明は、圧縮機と蒸発器又は凝縮器等の熱交換器との接続関係を容易に設定することを目的としたものであり、実際の熱交換量のシミュレーションは、熱交換器全体として行っていた。しかし、近年異なる種類のフィン−チューブ熱交換器が様々な冷媒回路に用いられ、新しいタイプのフィンと改良されたチューブの適用及び混合冷媒の使用等により、従来のように熱交換器全体を対象とするのではなく、フィンやチューブを部分的に変更するような場合に対応できるように、熱交換器の各部での熱交換量を詳細に求めることが可能なシミュレーション方法が必要とされていた。
The invention described in
その具体的な方法として、熱交換器をコントロールボリューム(以下、CV)と呼ばれる任意局所に分割する方法が従来から提案されていた。この方法は、先ず、図6に示すような単純化された熱交換器を、図7に示すような、作動流体である冷媒と空気、及び、フィン−チューブという3つの部分を含んだCVに分割し、この分割したCVのそれぞれで支配方程式を構築し、その支配方程式を解くことでCVにおける熱交換量を求め、これにより熱交換器全体の熱交換量を求めるという方法である。以下、このCVに分割して熱交換量を求める方法を詳しく説明する。 As a specific method, a method of dividing a heat exchanger into arbitrary local areas called a control volume (hereinafter referred to as CV) has been proposed. In this method, first, a simplified heat exchanger as shown in FIG. 6 is converted into a CV including three parts of a working fluid, refrigerant and air, and a fin-tube as shown in FIG. This is a method of dividing, constructing a governing equation for each of the divided CVs, and solving the governing equation to obtain a heat exchange amount in the CV, thereby obtaining a heat exchange amount of the entire heat exchanger. Hereinafter, a method for obtaining the heat exchange amount by dividing into CVs will be described in detail.
図7に示すような単一のCV内部には、冷媒、空気、フィン−チューブの3つの部分が存在する。これらの部分間の支配方程式として、質量保存方程式、エネルギー保存方程式、運動量保存方程式の3つの方程式を構築する必要がある。しかし、図7に示すような単一のCV内部において定常状態における性能を考慮する場合には、冷媒流量は流路において一定に保たれるため、エネルギー保存方程式と運動量保存方程式の2つの方程式のみを解けばCVにおける熱交換量を求めることが可能となる。CVの冷媒側と空気側のそれぞれの支配方程式は以下のように表すことができる。 Within a single CV as shown in FIG. 7, there are three parts: refrigerant, air, and fin-tube. As governing equations between these parts, it is necessary to construct three equations: a mass conservation equation, an energy conservation equation, and a momentum conservation equation. However, when considering the performance in a steady state within a single CV as shown in FIG. 7, since the refrigerant flow rate is kept constant in the flow path, there are only two equations of energy conservation equation and momentum conservation equation. If it solves, it will become possible to obtain | require the heat exchange amount in CV. The governing equations for the refrigerant side and the air side of CV can be expressed as follows.
(冷媒側の支配方程式)
冷媒に関するエネルギー保存方程式:
ここで、Q1rはエンタルピーの差による冷媒側の熱交換量、Q2rは温度の差による冷媒側の熱交換量、Grは冷媒流量、hr,inとhr,outはそれぞれCVの流入側と流出側における冷媒の固有エンタルピー、Tr,inとTr,outはそれぞれCVの流入側と流出側における冷媒の温度、αrは冷媒の局所熱伝達係数、Twallはチューブ壁の温度をそれぞれ表している。
冷媒に関する運動量保存方程式:
ここで、Δptotalは冷媒の総圧力降下、Δpaccは冷媒の加速圧力降下であり、式(5)は二相領域での加速圧力降下を表している。また、Grは冷媒流量、χrは冷媒の乾度、ξはボイド率、ρvとρlはそれぞれ蒸気と液体の密度である。
(The governing equation on the refrigerant side)
Energy conservation equations for refrigerants:
Here, Q 1r is the amount of heat exchange on the refrigerant side due to the difference in enthalpy, Q 2r is the amount of heat exchange on the refrigerant side due to the difference in temperature, G r is the flow rate of refrigerant, and h r, in and h r, out are CVs respectively. specific enthalpy of the refrigerant at the inlet side and the outlet side, T r, in a T r, out temperature of the refrigerant at the inlet side and the outlet side of the CV, respectively, alpha r is the local heat transfer coefficient of the refrigerant, T wall is the tube wall Each temperature is shown.
The momentum conservation equation for refrigerants:
Here, Δp total is the total pressure drop of the refrigerant, Δp acc is the acceleration pressure drop of the refrigerant, and Equation (5) represents the acceleration pressure drop in the two-phase region. Further, the G r refrigerant flow rate, the chi r refrigerant Inuido, xi] is the void fraction, the [rho v and [rho l is the density of each vapor and liquid.
(空気側の支配方程式)
空気側の圧力降下は通常非常に小さいので無視され、エネルギー保存方程式のみが考慮される。
ここで、Q1aはエンタルピーの差による空気側の熱交換量、Q2aは温度の差による空気側の熱交換量、Gaは空気流量、ha,inとha,outはそれぞれCVの流入側と流出側における空気の固有エンタルピー、Ta,inとTa,outはそれぞれCVの流入側と流出側における乾球温度、ηoはフィンの効率、αaは空気の局所熱伝達係数をそれぞれ表している。
(Air side governing equation)
The pressure drop on the air side is usually so small that it is ignored and only the energy conservation equation is considered.
Where Q 1a is the heat exchange amount on the air side due to the difference in enthalpy, Q 2a is the heat exchange amount on the air side due to the difference in temperature, G a is the air flow rate, h a, in and h a, out are the CV Intrinsic enthalpy of air on the inflow side and outflow side, Ta, in and Ta, out are the dry bulb temperatures on the inflow side and outflow side of CV, respectively, η o is the efficiency of the fin, and α a is the local heat transfer coefficient of air Respectively.
(フィン−チューブの支配方程式)
フィン−チューブに関しては、エネルギー保存方程式のみを考慮する。定常状態の条件下ではフィンとチューブにはエネルギーの蓄積はなく、入ってくるエネルギーは出て行くエネルギーに等しい。つまり、フィンとチューブに蓄積されたエネルギーQwは、
Qw=Q1r+Q1a=0 …(9)
上記の式(1)、(4)、(6)、(9)は、単一のCVに関する全ての支配方程式である。
(Fin-tube governing equation)
For fin-tubes, only the energy conservation equation is considered. Under steady state conditions, there is no energy storage in the fins and tubes, and the incoming energy is equal to the outgoing energy. In other words, the energy Q w stored in the fins and tubes is
Q w = Q 1r + Q 1a = 0 (9)
Equations (1), (4), (6), and (9) above are all governing equations for a single CV.
このようにして構築したCVに関する支配方程式を、特定のアルゴリズムに基づいて解くことになる。従来、熱交換器の支配方程式を解くためのアルゴリズムとしては、局所交互反復アルゴリズムが一般的に使用されてきた。図8に示すのは、代表的な局所交互反復アルゴリズムを用いて支配方程式を解くためのフローチャートであり、フロー順に説明する。 The governing equation regarding CV constructed in this way is solved based on a specific algorithm. Conventionally, a local alternating iterative algorithm has been generally used as an algorithm for solving the governing equation of the heat exchanger. FIG. 8 is a flowchart for solving a governing equation using a typical local alternating iteration algorithm, which will be described in the order of flow.
(S801)において初期値を設定した後、(S802)でCVのナンバー(最初はi=1)を指定して、その指定したCVについて支配方程式を解く。(S803)では与えられた初期値に基づいてエネルギー保存方程式を解き、(S804)では与えられた初期値に基づいて運動量保存方程式を解く。次に、(S805)において(S803)で解いたエネルギー保存方程式の解が収束しているかを判定し、(S806)において(S804)で解いた運動量保存方程式の解が収束しているかを判定するが、それぞれで解が収束していない場合には、手順(S809)又は手順(S810)によって、(S803)に戻ってエネルギー保存方程式及び運動量保存方程式の解が収束するまで繰り返し演算を行う。このようにして1つのCVのエネルギー保存方程式及び運動量保存方程式の解を求めたら、手順(S807)において最後のCVであることを確認するまでは、各CVにおいて同様に演算を行いエネルギー保存方程式及び運動量保存方程式の解を求める。最終的に手順(S808)において、全体の収束判定条件が判断され、全体の収束が満足されるまで手順(S812)によって反復プロセスは継続し、収束した場合に(S813)において終了する。 After setting the initial value in (S801), the CV number (initially i = 1) is designated in (S802), and the governing equation is solved for the designated CV. In (S803), the energy conservation equation is solved based on the given initial value, and in (S804), the momentum conservation equation is solved based on the given initial value. Next, in (S805), it is determined whether the solution of the energy conservation equation solved in (S803) has converged, and in (S806), it is determined whether the solution of the momentum conservation equation solved in (S804) has converged. However, if the solutions have not converged in each case, the procedure (S809) or procedure (S810) returns to (S803), and the calculation is repeated until the solutions of the energy conservation equation and the momentum conservation equation converge. Once the solutions of the energy conservation equation and momentum conservation equation of one CV are obtained in this way, the calculation is performed in the same manner for each CV until it is confirmed that it is the last CV in the procedure (S807). Find the solution of the momentum conservation equation. Finally, in the procedure (S808), the overall convergence determination condition is determined, and the iterative process is continued by the procedure (S812) until the overall convergence is satisfied. When the convergence is completed, the process ends in (S813).
また、(S803)においてエネルギー保存方程式の解を求める方法としては、図9に示す三段階反復法が一般的であり、上記の式(1)で示した冷媒に関するエネルギー保存方程式を解くための反復手順(S914)と、式(9)で示したフィン−チューブに関するエネルギー保存方程式を解くための反復手順(S915)と、式(6)で示した空気に関するエネルギー保存方程式を解くための反復手順(S916)との3つの反復手順によって1つのCV内のエネルギー保存方程式を解くことになる。 Further, as a method for obtaining the solution of the energy conservation equation in (S803), the three-stage iterative method shown in FIG. 9 is generally used, and the iteration for solving the energy conservation equation regarding the refrigerant shown in the above equation (1). The procedure (S914), the iterative procedure (S915) for solving the energy conservation equation for the fin-tube shown in equation (9), and the iteration procedure for solving the energy conservation equation for air shown in equation (6) ( 3 iterations with S916) will solve the energy conservation equation in one CV.
上記の従来技術の問題点としては、以下のものが挙げられる。1つ目としては、図8に示す従来用いていた局所交互反復アルゴリズムは、3段階のネスト(入れ子)された反復手順(S809、S810、S812)と1つのループ手順(S811)とで構成されており、また、この中でエネルギー保存方程式を解くために三段階反復法を使用しているため、全体として反復回数が非常に多くなってしまっている。このため、この方法では支配方程式の収束解を得ることが困難であり、ソフトウェアの安定性を保証することが難しいという問題があった。 As problems of the above-mentioned conventional technology, the following can be cited. First, the conventional local alternating iteration algorithm shown in FIG. 8 is composed of a three-stage nested iteration procedure (S809, S810, S812) and a loop procedure (S811). In addition, since the three-stage iterative method is used to solve the energy conservation equation, the number of iterations is very large as a whole. For this reason, this method has a problem that it is difficult to obtain a convergent solution of the governing equation and it is difficult to guarantee the stability of the software.
2つ目としては、上記局所交互反復アルゴリズムの反復回数が非常に多いことに起因して、全てのCVに関して支配方程式を解いてシミュレーション結果を得るまでに非常に長い時間がかかってしまうという問題があった。 Second, due to the extremely large number of iterations of the local alternating iteration algorithm, it takes a very long time to obtain the simulation results by solving the governing equations for all CVs. there were.
さらに、3つ目としては、複雑な冷媒流路からなる熱交換器のシミュレーションを行った場合、分割した各冷媒流路を構成するチューブ間の接続関係を簡潔に表現し、かつ各冷媒流路における状態パラメータのシミュレーション結果を記憶させ、それらを効率よくシミュレーションに適用することが難しいという問題があった。 Thirdly, when a simulation of a heat exchanger composed of complicated refrigerant flow paths is performed, the connection relationship between the tubes constituting each divided refrigerant flow path is simply expressed, and each refrigerant flow path There is a problem that it is difficult to store the simulation results of the state parameters in and to efficiently apply them to the simulation.
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、分割したチューブ間の接続関係を明確にするとともに各CVの情報を簡単に記憶可能なメモリ構造を持ち、すべてのCVの支配方程式を解く場合に解が収束し易くかつシミュレーション時間のかからないアルゴリズムを使用している熱交換器のシミュレータを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and has a memory structure in which the connection relationship between divided tubes is clarified and information of each CV can be easily stored, and the governing equations of all CVs are solved. It is an object of the present invention to provide a heat exchanger simulator that uses an algorithm that easily converges the solution and does not require simulation time.
請求項1記載の発明は、フィンとチューブからなる熱交換器を、冷媒、空気、フィン−チューブという3つの部分を含んだ任意局所である検査体積(コントロールボリューム、以下CV)に分割し、各CVでの熱交換特性のシミュレーション結果を踏まえて熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とする熱交換器のシミュレーション方法において、冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについてエネルギー保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す反復手順1と、前記反復手順1の後に冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについて運動量保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す反復手順2と、反復手順1で求めた各CVについてのエネルギー保存方程式の解と反復手順2で求めた各CVについての運動量保存方程式の解とから得られる各CVの熱交換特性が全てのCVについて収束するまで反復手順1と反復手順2とを繰り返す反復手順3とによって各CV及び熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とする熱交換器のシミュレーション方法である。
The invention according to
請求項2記載の発明は、請求項1に加えて、反復手順1では、圧力場を与えてエネルギー保存方程式を解くことで温度場を得て、反復手順2では、反復手順1で得た温度場を与えて運動量保存方程式を解くことで補正された圧力場を得て、反復手順3では、反復手順1と反復手順2においてそれぞれの反復手順で得た温度場と圧力場を交互に更新しながら計算を繰り返すことによって、全てのCVについてエネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解を求めるようにしたことを特徴とする熱交換器のシミュレーション方法である。
In the invention of
請求項3記載の発明は、請求項1又は2に加えて、反復手順1において各々のCVのエネルギー保存方程式を解く手順は、空気側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手順4と、冷媒側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手順5と、フィン−チューブのエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで前記反復手順4と反復手順5とを繰り返す反復手順6とからなることを特徴とする熱交換器のシミュレーション方法である。
In addition to
請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1つを実行するためのシミュレーションプログラムである。 A fourth aspect of the present invention is a simulation program for executing any one of the first to third aspects.
請求項5記載の発明は、フィンとチューブからなる熱交換器を、冷媒、空気、フィン−チューブという3つの部分を含んだ任意局所である検査体積(コントロールボリューム、以下CV)に分割し、各CVでの熱交換特性のシミュレーション結果を踏まえて熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とする熱交換器のシミュレータにおいて、冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについてエネルギー保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す反復手段1と、前記反復手段1の後に冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについて運動量保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す反復手段2と、反復手段1で求めた各CVについてのエネルギー保存方程式の解と反復手段2で求めた各CVについての運動量保存方程式の解とから得られる各CVの熱交換特性が全てのCVについて収束するまで反復手段1と反復手段2とを繰り返す反復手段3とによって各CV及び熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とする熱交換器のシミュレータである。
The invention according to
請求項6記載の発明は、請求項5に加えて、反復手段1では、圧力場を与えてエネルギー保存方程式を解くことで温度場を得て、反復手段2では、反復手段1で得た温度場を与えて運動量保存方程式を解くことで補正された圧力場を得て、反復手段3では、反復手段1と反復手段2においてそれぞれの反復手段で得た温度場と圧力場を交互に更新しながら計算を繰り返すことによって、全てのCVについてエネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解を求めるようにしたことを特徴とする熱交換器のシミュレータである。
According to the sixth aspect of the present invention, in addition to the fifth aspect, the iterative means 1 obtains a temperature field by applying a pressure field and solving the energy conservation equation, and the
請求項7記載の発明は、請求項5又は6に加えて、反復手段1において各々のCVのエネルギー保存方程式を解く手段は、空気側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手段4と、冷媒側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手段5と、フィン−チューブのエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで前記反復手段4と反復手段5とを繰り返す反復手段6とからなることを特徴とする熱交換器のシミュレータである。
According to the seventh aspect of the invention, in addition to the fifth or sixth aspect, the means for solving the energy conservation equation of each CV in the iteration means 1 solves the energy conservation equation on the air side and repeats the calculation until the solution converges. The iterative means 4, the iterative means 5 that solves the energy conservation equation on the refrigerant side and repeats the calculation until the solution converges, and the
請求項1記載の発明によれば、2つの並列的に配置された反復手順1、2によって、それぞれエネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解を求め、この2つの反復手順1、2全体をネストした反復手順3によって、エネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解を次々に補正しながら求める構成となっており、この2段階のネスト構造によるアルゴリズムは、従来方式の3段階のネスト構造に比べて、高い収束性とシミュレーション時間の大幅な短縮を実現することができる。
According to the first aspect of the present invention, solutions of the energy conservation equation and the momentum conservation equation are obtained by two parallelly arranged
請求項2記載の発明によれば、反復手順1では、圧力場を与えてエネルギー保存方程式を解くことで温度場を得て、反復手順2では、温度場を与えて運動量保存方程式を解くことで補正された圧力場を得て、反復手順3では、反復手順1と反復手順2において交互に温度場と圧力場を更新しながら繰り返すようにしたので、従来方式における1つのCV内でエネルギー保存方程式と運動量保存方程式を同時に解こうとすることによって発生する温度と圧力がハンチング状態に陥るという問題がなく、解の収束安定性を保証するとともに、全体としてのシミュレーション時間を従来方式の約1/12〜1/200に短縮することを可能にしている。
According to the second aspect of the invention, in the
請求項3記載の発明によれば、空気側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手順4と、冷媒側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手順5と、フィン−チューブのエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで前記反復手順4と反復手順5とを繰り返す反復手順6とによって各々のCVのエネルギー保存方程式を解くようにしたので、従来の3段階反復法に比べて、この部分の計算時間を約1/40〜1/60に短縮することができる。
According to the third aspect of the present invention, the
請求項4記載の発明によれば、請求項1乃至請求項3のいずれか1つを実行するためのシミュレーションプログラムとしたので、このシミュレーションプログラムによってコンピュータに請求項1乃至請求項3のいずれかのシミュレーションを実行させることが可能となる。
According to invention of
請求項5記載の発明によるシミュレータは、2つの並列的に配置された反復手段1、2によって、それぞれエネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解を求め、この2つの反復手段1、2全体をネストした反復手段3によって、エネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解を次々に補正しながら求める構成となっており、この2段階のネスト構造によるアルゴリズムは、従来方式の3段階のネスト構造に比べて、高い収束性とシミュレーション時間の大幅な短縮を実現することができる。 The simulator according to the fifth aspect of the present invention obtains solutions of the energy conservation equation and the momentum conservation equation by the two iteration means 1 and 2 arranged in parallel, respectively, and the entire two iteration means 1 and 2 are nested. The iterative means 3 determines the energy conservation equation and the momentum conservation equation while correcting each other one after another, and the algorithm based on this two-stage nested structure is higher than the conventional three-stage nested structure. Convergence and simulation time can be greatly reduced.
請求項6記載の発明によるシミュレータは、反復手段1では、圧力場を与えてエネルギー保存方程式を解くことで温度場を得て、反復手段2では、温度場を与えて運動量保存方程式を解くことで補正された圧力場を得て、反復手段3では、反復手段1と反復手段2において交互に温度場と圧力場を更新しながら繰り返すようにしたので、従来方式における1つのCV内でエネルギー保存方程式と運動量保存方程式を同時に解こうとすることによって発生する温度と圧力がハンチング状態に陥るという問題がなく、解の収束安定性を保証するとともに、全体としてのシミュレーション時間を従来方式の約1/12〜1/200に短縮することを可能にしている。
In the simulator according to the sixth aspect of the invention, the iterative means 1 gives a pressure field and solves the energy conservation equation to obtain the temperature field, and the iteration means 2 gives the temperature field and solves the momentum conservation equation. Since the corrected pressure field is obtained and the
請求項7記載の発明によるシミュレータは、空気側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手段4と、冷媒側のエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで計算を繰り返す反復手段5と、フィン−チューブのエネルギー保存方程式を解きその解が収束するまで前記反復手段4と反復手段5とを繰り返す反復手段6とによって各々のCVのエネルギー保存方程式を解くようにしたので、従来の3段階反復法に比べて、この部分の計算時間を約1/40〜1/60に短縮することができる。
The simulator according to the seventh aspect of the invention is an
本発明による熱交換器のシミュレーション方法は、フィンとチューブからなる熱交換器を、冷媒、空気、フィン−チューブという3つの部分を含んだ任意局所である検査体積(コントロールボリューム、以下CV)に分割し、各CVでの熱交換特性のシミュレーション結果を踏まえて熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とする熱交換器のシミュレーション方法において、冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについてエネルギー保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す反復手順1と、前記反復手順1の後に冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについて運動量保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す反復手順2と、反復手順1で求めた各CVについてのエネルギー保存方程式の解と反復手順2で求めた各CVについての運動量保存方程式の解とから得られる各CVの熱交換特性が全てのCVについて収束するまで反復手順1と反復手順2とを繰り返す反復手順3とによって各CV及び熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とするものであり、さらに、反復手順1では、圧力場を与えてエネルギー保存方程式を解くことで温度場を得て、反復手順2では、反復手順1で得た温度場を与えて運動量保存方程式を解くことで補正された圧力場を得て、反復手順3では、反復手順1と反復手順2においてそれぞれの反復手順で得た温度場と圧力場を交互に更新しながら計算を繰り返すことによって、全てのCVについてエネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解を求めるようにしたことを特徴とする。
The heat exchanger simulation method according to the present invention divides a heat exchanger composed of fins and tubes into a test volume (control volume, hereinafter referred to as CV) which is an arbitrary local area including three parts of refrigerant, air, and fin-tube. Then, in the heat exchanger simulation method characterized in that the heat exchange characteristics of the entire heat exchanger are obtained based on the simulation results of the heat exchange characteristics at each CV, in a predetermined order determined along the refrigerant flow path.
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。先ず、本発明の熱交換器のシミュレータの全体構成について図1を用いて説明する。図1に示すように、データの入力過程を設ける必要はあるが、本発明の熱交換器のシミュレータは、プリプロセッサ、メインプロセッサ、ポストプロセッサの3つの主要な要素から成り立っている。以下、それぞれの過程について詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the whole structure of the simulator of the heat exchanger of this invention is demonstrated using FIG. As shown in FIG. 1, although it is necessary to provide a data input process, the heat exchanger simulator of the present invention is composed of three main elements: a preprocessor, a main processor, and a postprocessor. Hereinafter, each process will be described in detail.
[データの入力過程];
先ず、熱交換器のシミュレータを動作させる前に、ユーザは以下の与えられた情報を入力する必要がある。その情報としては、(1)フィン−チューブ熱交換器の構造上のパラメータ、(2)作動流体である冷媒と空気の流入状態のパラメータ(圧力、エンタルピー、冷媒流量、風上側の空気速度等)、(3)チューブ間の接続関係、等があり、この入力された情報を用いて熱交換器のシミュレーションを行う。
[Data input process];
First, before operating the heat exchanger simulator, the user needs to input the following given information. The information includes (1) structural parameters of the fin-tube heat exchanger, (2) parameters of refrigerant and air inflow state of working fluid (pressure, enthalpy, refrigerant flow rate, windward air velocity, etc.) (3) There is a connection relationship between the tubes, etc., and a simulation of the heat exchanger is performed using this input information.
[プリプロセッサ];
このプリプロセッサでは、チューブ間の接続関係を隣接マトリクスで表現することを目的としており、その流れとして5つのステップを必要とする。ステップ1では、入力データに基づいて熱交換器で使用する各々のチューブをコード化し、ステップ2では、冷媒回路の配置を方向性を持ったグラフに変換し、ステップ3では、方向性を持ったグラフを隣接マトリクスに変換し、ステップ4では、隣接マトリクスに基づいて冷媒流路を探索し生成させ、ステップ5では、冷媒の情報を記憶させるために、ステップ4で作成したマトリクスを修正する。以下、各ステップを詳細に説明する。
[preprocessor];
This preprocessor is intended to represent the connection relationship between tubes in an adjacent matrix, and requires five steps as the flow. In
ステップ1) 入力データに基づいて熱交換器で使用する各々のチューブをコード化する。
チューブNo.をコード化するために使用する一般的なルールは以下に示すとおりである。(1)一番目の列のチューブNo.を下のチューブから上に1、2、3、・・・とコード化する。(2)最後の列が終わるまで残った列のチューブNo.を連続して下のチューブから上にコード化する。(3)2つの他の仮想的なチューブを付け加える。それはそれぞれ流入冷媒の導入部及び流出冷媒の導出部を表す。流入冷媒導入部はチューブNo.0とコード化し、流出冷媒導出部はチューブ数の合計に1を加えたチューブNo.にコード化される。
具体的には、図6に示すような2列4段のチューブからなる熱交換器において上記ステップ1の内容を適用すると、(1)のルールから1列目のチューブはチューブNo.1〜4にコード化され、(2)のルールから2列目のチューブはチューブNo.5〜8にコード化され、さらに、(3)のルールから流入冷媒導入部をチューブNo.0でコード化し、流出冷媒導出部をチューブNo.9でコード化することで、図6に示すようなチューブNo.が付されることになる。
Step 1) Code each tube used in the heat exchanger based on the input data.
The general rules used to code tube numbers are as follows: (1) The tube numbers in the first row are encoded as 1, 2, 3,... (2) The tube numbers in the remaining rows are coded sequentially from the lower tube up until the end of the last row. (3) Add two other virtual tubes. It represents the inlet part for the incoming refrigerant and the outlet part for the outgoing refrigerant, respectively. The inflow refrigerant introduction part is coded as tube No. 0, and the outflow refrigerant lead-out part is coded as tube No. obtained by adding 1 to the total number of tubes.
Specifically, when the contents of
ステップ2) 冷媒回路の配置を方向性を持ったグラフに変換する。
冷媒回路の配置は方向性を持ったグラフに変換される。方向性を持ったグラフの頂点はチューブを表し、方向性を持ったグラフの辺は2つのチューブの関係を表している。図6に示す2列4段のチューブからなる熱交換器では、図中の表側のチューブの接続関係は実線で表し、裏側のチューブの接続関係は破線で表しており、この図6における冷媒回路の配置を方向性を持ったグラフに変換すると、図2に示すようなものになる。
Step 2) The refrigerant circuit arrangement is converted into a directional graph.
The arrangement of the refrigerant circuit is converted into a directional graph. The vertex of the graph with directionality represents a tube, and the side of the graph with directionality represents the relationship between two tubes. In the heat exchanger composed of two rows and four stages of tubes shown in FIG. 6, the connection relationship between the tubes on the front side in the drawing is represented by a solid line, and the connection relationship between the tubes on the back side is represented by a broken line. 2 is converted into a graph having directionality as shown in FIG.
ステップ3) 方向性を持ったグラフを隣接マトリクスに変換する。
隣接マトリクスは、上記の方向性を持ったグラフに基づいたチューブ間の関係を表現するために導入される。マトリクスの各要素は以下のように与えられる。
このようにして生成された隣接マトリクスにおいて、ある列に含まれる要素の数の和は、その列に対応するNo.のチューブに合流するチューブの数を表す。また、ある行に含まれる要素の数の和は、その行に対応するNo.のチューブから分岐するチューブの数を表す。さらに、隣接マトリクスの行方向は流出方向の接続を、列方向は流入方向の接続をそれぞれ表し、図2の持つ方向性を表現している。
図2に示す方向性を持ったグラフに基づいて生成したものが、図3(a)に示す隣接マトリクスであり、図6に示す2列4段のチューブからなる熱交換器の接続関係を10行10列のマトリクスで表現している。この図3(a)に示す隣接マトリクスの外側に記されている0〜9の数字は、図6のチューブNo.に対応している。
Step 3) Convert a directional graph into an adjacency matrix.
The adjacency matrix is introduced in order to express the relationship between the tubes based on the graph having the above-mentioned directionality. Each element of the matrix is given as follows.
In the adjacent matrix generated in this way, the sum of the number of elements included in a certain column represents the number of tubes that join the No. tube corresponding to that column. Further, the sum of the numbers of elements included in a certain row represents the number of tubes branched from the No. tube corresponding to that row. Further, the row direction of the adjacent matrix represents the connection in the outflow direction, and the column direction represents the connection in the inflow direction, and expresses the directionality of FIG.
The adjacent matrix shown in FIG. 3A is generated based on the directional graph shown in FIG. 2, and the connection relationship of the heat exchanger composed of the two rows and four stages of tubes shown in FIG. It is expressed in a matrix with 10 rows and 10 columns. The
ステップ4) 隣接マトリクスに基づいて冷媒流路を探索し生成する。
数値計算において冷媒回路の配置は非常に重要である。そこで、上記隣接マトリクスに基づいて冷媒流路を単純な流れの経路として定義しておくことで、さらに計算を容易に行えるようにする。具体的には、ある合流点又は分岐点から始まり、他の合流点又は分岐点に出会うまでの冷媒流の方向に従って続くチューブをトレースしたものを冷媒流路として定義する。冷媒回路が、ある分岐点からいくつかのブランチに分岐するとき、最も小さいチューブNo.のブランチについて他の合流点又は分岐点に出会うまで探索し、その後同じ方法で残りのブランチについて探索作業を行うために先の分岐点に戻る。このようにして冷媒流路をすべて探索して生成する。図3(a)に示す隣接マトリクスに基づいて冷媒流路を探索し生成すると、図2及び図6に示す熱交換器における0−8−4、3−2、7−6、5−1−9の4つの冷媒流路を見出すことができる。
Step 4) Search and generate a refrigerant flow path based on the adjacent matrix.
In the numerical calculation, the arrangement of the refrigerant circuit is very important. Therefore, by defining the refrigerant flow path as a simple flow path based on the adjacent matrix, the calculation can be performed more easily. Specifically, a refrigerant flow path is defined by tracing a tube that starts from a certain junction or branch point and continues in the direction of the refrigerant flow until it meets another junction or branch point. When the refrigerant circuit branches from one branch point to several branches, search for the branch with the smallest tube number until another junction or branch point is met, and then search for the remaining branches in the same way To return to the previous branch point. In this way, all the refrigerant flow paths are searched and generated. When the refrigerant flow path is searched and generated based on the adjacent matrix shown in FIG. 3A, 0-8-4, 3-2, 7-6, 5-1 in the heat exchanger shown in FIGS. Nine four refrigerant flow paths can be found.
ステップ5) 冷媒の情報を記憶させるために、ステップ3で作成したマトリクスを修正する。
図2に示した方向性を持ったグラフからも分かるように、チューブは分岐点を持ち、分岐点から分岐する各ブランチには分岐前の冷媒が分割して流れることになる。このような分岐点において冷媒がどのような割合で分岐して流れるかは計算上重要な問題であり、これをデータとして前もって入力しておく必要がある。この入力データを、上記ステップ3で作成した図3(a)に示す隣接マトリクスの“1”の要素の部分に置き換えることによって、各チューブの冷媒流量を容易に知ることができる。例えば、図2に示す方向性を持ったグラフにおいて、分岐前の冷媒流量が10で、2分岐した場合の冷媒流量をそれぞれ5とする入力データを、図3(a)に示す隣接マトリクスの“1”の要素の部分に置き換えると、図3(b)に示すような簡単なメモリ構造を提供することが可能となり、これにより、その後の計算においてデータを読み込む際のデータ構造を簡単化することができる。
Step 5) The matrix created in
As can be seen from the directional graph shown in FIG. 2, the tube has a branch point, and the refrigerant before branching flows in each branch branched from the branch point. The ratio at which the refrigerant branches and flows at such a branch point is an important problem in calculation, and it is necessary to input this in advance as data. By replacing this input data with the “1” element portion of the adjacent matrix shown in FIG. 3A created in
[メインプロセッサ];
このメインプロセッサにおいては、分割したCVの支配方程式を全て解いて、CV毎の熱交換量を求めるが、従来方式とは異なるアルゴリズムを使用することにより、解の収束性を向上させシミュレーション時間を短縮させる。以下、CVの支配方程式を解くための本発明によるアルゴリズムのフローチャートを図4及び図5を用いて説明する。
[Main processor];
In this main processor, all the governing equations of the divided CV are solved to obtain the heat exchange amount for each CV, but by using an algorithm different from the conventional method, the convergence of the solution is improved and the simulation time is shortened. Let Hereinafter, the flowchart of the algorithm according to the present invention for solving the governing equation of CV will be described with reference to FIGS.
図4に示すのは、本発明で用いる全体交互反復アルゴリズムの手順を示したフローチャートであり、2段階にネストされた反復手順(一方はS413とS415、他方はS416)と2つのループ(S412とS414)によって構成されている。図8に示す従来方式の局所交互反復アルゴリズムにおいては、3段階にネストされた反復手順によって、1つのCV内でエネルギー保存方程式と運動量保存方程式を同時に解こうとするため、一方の方程式を解こうとすると他方の方程式のパラメータが大きく変動するという状態に陥り、温度と圧力がハンチングしてしまい、単一のCV内でこれらが収束して落ち着いたとしても、全体が収束していない場合には再度各CVについて演算し直すことになるため、熱交換器全体のシミュレーションの収束解を得ることが非常に難しいという問題があった。これに対して、図4に示す本発明の全体交互反復アルゴリズムにおいては、エネルギー保存方程式と運動量保存方程式を分離してそれぞれ独立に解くことで、従来方式による問題点を解決している。 FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the overall alternating iteration algorithm used in the present invention. The iteration procedure is nested in two stages (one is S413 and S415, the other is S416) and two loops (S412 and S412). S414). In the conventional local alternating iterative algorithm shown in FIG. 8, an energy conservation equation and a momentum conservation equation are simultaneously solved in one CV by an iterative procedure nested in three stages, so that one equation is solved. Then, the parameter of the other equation falls into a state where it fluctuates greatly, the temperature and pressure hunting, and even if they converge and settle within a single CV, Since the calculation is performed again for each CV, there is a problem that it is very difficult to obtain a converged solution of the simulation of the entire heat exchanger. On the other hand, the overall alternating iterative algorithm of the present invention shown in FIG. 4 solves the problems of the conventional system by separating the energy conservation equation and the momentum conservation equation and solving them independently.
一般的に、冷媒の圧力場は全体計算の最初では分からないので、各々のCV内の圧力は全て等しいと仮定する。その仮定した圧力場を与えて、(S413)の反復手順によって全てのCVについてエネルギー保存方程式を解く。この全てのCVでエネルギー保存方程式を解く過程で温度場が推測され、この推測された温度場を与えて、(S415)の反復手順によって全てのCVの運動量保存方程式を解く。この運動量保存方程式を解く過程で補正された圧力場を得ることができ、(S416)の反復手順によって最初に戻って、この補正された圧力場を与えて再度(S413)の反復手順によって全てのCVのエネルギー保存方程式を解き、さらに、(S415)の反復手順によって全てのCVの運動量保存方程式を解く。このように、温度場と圧力場は交互に更新され、それに従って温度場と圧力場の精度が向上していくので、従来方式のような温度と圧力がハンチングするような状態に陥ることがなく、かつ、より早い計算とより早い収束をもたらす。以下、順を追って説明する。 In general, since the pressure field of the refrigerant is not known at the beginning of the overall calculation, it is assumed that the pressures in each CV are all equal. Given the assumed pressure field, the energy conservation equation is solved for all CVs by the iterative procedure of (S413). The temperature field is estimated in the process of solving the energy conservation equation with all the CVs. Given the estimated temperature field, the momentum conservation equations for all CVs are solved by the iterative procedure of (S415). A corrected pressure field can be obtained in the process of solving this momentum conservation equation, and it is returned to the beginning by the iterative procedure of (S416) and given all of the corrected pressure field again by the iterative procedure of (S413). The energy conservation equation of CV is solved, and further, the momentum conservation equation of all CVs is solved by the iterative procedure of (S415). In this way, the temperature field and the pressure field are alternately updated, and the accuracy of the temperature field and the pressure field is improved accordingly, so that the state where the temperature and pressure are hunting as in the conventional method is not caused. And faster computation and faster convergence. In the following, description will be given in order.
図4において、先ず、(S401)で初期値を設定する。ここでは、冷媒の圧力場は全体計算の最初では分からないので、各々のCV内の圧力は全て等しいと仮定する。次に、(S402)で最初のCVを指定して(S403)でエネルギー保存方程式を解く。この(S403)でのエネルギー保存方程式を解くアルゴリズムは、図5に示す2段階反復アルゴリズムであり、詳細については後述する。(S404)で最後のCVであることを確認するまでは、(S412)に示すループ手段によって冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについてエネルギー保存方程式を解き、最後のCVについてエネルギー保存方程式を解いた後、(S405)で全体の収束を判断し、収束が確認されるまでは(S413)の反復手順(これを反復手順1とする)によって繰り返しエネルギー保存方程式が解かれ、全体が収束したら(S405)から(S406)に進む。ここでの(S413)の反復手順1によって温度場が推定される。この(S405)における収束判定条件は、全てのCVでエネルギー保存方程式が解けたかどうか(例えば、解が一定の判定条件を満たしたかどうか)を判定する。
In FIG. 4, first, an initial value is set in (S401). Here, since the pressure field of the refrigerant is not known at the beginning of the overall calculation, it is assumed that the pressures in each CV are all equal. Next, the first CV is designated in (S402), and the energy conservation equation is solved in (S403). The algorithm for solving the energy conservation equation in (S403) is a two-stage iterative algorithm shown in FIG. 5, and details will be described later. Until the last CV is confirmed in (S404), the energy conservation equations are solved for all the CVs in a predetermined order determined along the refrigerant flow path by the loop means shown in (S412), and the last CV is obtained. After solving the energy conservation equation, the overall convergence is determined in (S405), and until the convergence is confirmed, the iterative procedure of (S413) is repeated (this is the iteration procedure 1), the energy conservation equation is solved repeatedly, When the whole has converged, the process proceeds from (S405) to (S406). Here, the temperature field is estimated by the
次に(S406)では最初のCVを指定して(S407)で運動量保存方程式を解く。(S408)で最後のCVであることを確認するまでは、(S414)に示すループ手段によって冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについて運動量保存方程式を解き、最後のCVについて運動量保存方程式を解いた後、(S409)で全体の収束を判断し、収束が確認されるまでは(S415)の反復手順(これを反復手順2とする)によって繰り返し運動量保存方程式が解かれ、全体が収束したら(S409)から(S410)に進む。ここでの(S415)の反復手順2によって補正された圧力場を得ることができる。この(S409)における収束判定条件は、全てのCVで運動量保存方程式が解けたかどうか(例えば、解が一定の判定条件を満たしたかどうか)を判定する。
Next, in (S406), the first CV is specified, and the momentum conservation equation is solved in (S407). Until the final CV is confirmed in (S408), the momentum conservation equation is solved for all the CVs in a predetermined order determined along the refrigerant flow path by the loop means shown in (S414), and the final CV is determined. After solving the momentum conservation equation, the overall convergence is determined in (S409), and until the convergence is confirmed, the iterative procedure of (S415) is repeated (this is iteration procedure 2), and the momentum conservation equation is solved repeatedly. When the whole converges, the process proceeds from (S409) to (S410). Here, the pressure field corrected by the
(S410)では、(S413)の反復手順1によって得られたエネルギー保存方程式の解と、(S415)の反復手順2によって得られた運動量保存方程式の解とを全体として収束しているかを判断する。全体として収束していない場合には、(S416)の反復手順(これを反復手順3とする)によって再度最初から演算を行うが、(S413)の反復手順によって温度場を更新し、(S415)の反復手順によって圧力場を更新するといったように、温度場と圧力場を交互に更新しながら(S416)の反復手順3を行うため、精度の向上した場に基づいた演算は容易に収束する。(S410)で全体が収束した場合には、(S411)で終了する。この(S410)での収束判定条件は、反復手順1によって得られたエネルギー保存方程式の解と反復手順2によって得られた運動量保存方程式の解とによって得られる各CVについての熱交換特性が平衡状態(それ以上計算を繰り返しても各CVの熱交換特性が一定の判定条件の範囲外に変化しないこと)になることをもって、反復手順3の収束とする。ここで熱交換特性とは、熱交換量、冷媒又は空気の流量、流入/流出エンタルピー、流入/流出温度などの熱交換器又はCVの熱交換に関する特性を意味する。
In (S410), it is determined whether the solution of the energy conservation equation obtained by the
前記(S403)でエネルギー保存方程式を解く際に用いた2段階反復アルゴリズムについて図5を用いて説明する。この2段階反復アルゴリズムにおけるシミュレーションプロセスは、1つのCVについて、空気側、冷媒側の両方において1組の既知の流入パラメータに基づいて開始され、未知の流出量を推定する。冷媒の流出固有エンタルピーhr,out、流出空気温度Ta,out、チューブ壁温度Twallを推定することによって、エネルギー保存方程式(1)、(6)、(9)を解くことができる。図5において、(S503)〜(S506)及び(S514)からなる反復手順(これを反復手順4とする)においては、流出空気温度Ta,outを調整しながら空気側のエネルギー保存方程式(6)を解く。(S507)〜(S510)及び(S515)からなる反復手順(これを反復手順5とする)においては、冷媒の流出固有エンタルピーhr,outを調整しながら冷媒側のエネルギー保存方程式(1)を解く。(S511)でフィン−チューブのエネルギー保存方程式(9)を解いて、この式(9)のQwが収束判定条件(|Qw|<ε)に達するまで、チューブ壁温度Twallを調整しながら(S516)の反復手順(これを反復手順6とする)を繰り返して、Qwが収束判定条件に達した場合に、CV内のエネルギー保存方程式は全て解かれたものとして、(S513)で終了して、図4の(S404)に戻る。ここで、(S506)、(S510)、(S512)の各判定条件におけるεは、解の精度を判定する数値でそれぞれのステップで任意の値としてよいものである。 The two-step iterative algorithm used in solving the energy conservation equation in (S403) will be described with reference to FIG. The simulation process in this two-stage iterative algorithm starts for one CV based on a set of known inflow parameters on both the air side and the refrigerant side to estimate the unknown outflow. The energy conservation equations (1), (6), and (9) can be solved by estimating the refrigerant outflow specific enthalpy hr , out , the outflow air temperature Ta, out , and the tube wall temperature Twall . In FIG. 5, in an iterative procedure consisting of (S503) to (S506) and (S514) (hereinafter referred to as iterative procedure 4), the energy conservation equation (6) on the air side is adjusted while adjusting the outflow air temperature Ta, out. ). In an iterative procedure consisting of (S507) to (S510) and (S515) (this is assumed to be iterative procedure 5), the refrigerant energy conservation equation (1) is expressed while adjusting the refrigerant outflow specific enthalpy hr , out. solve. In (S511), the fin-tube energy conservation equation (9) is solved, and the tube wall temperature T wall is adjusted until the Q w of the equation (9) reaches the convergence judgment condition (| Q w | <ε). while Repeat steps iteration (S516) (this is an iterative procedure 6), when Q w has reached the stopping criterion, as has been released energy conservation equations are all in CV, at (S513) Then, the process returns to (S404) in FIG. Here, ε in each determination condition of (S506), (S510), and (S512) is a numerical value for determining the accuracy of the solution and may be an arbitrary value in each step.
[ポストプロセッサ];
前記メインプロセッサにおいて求めた全てのCVのシミュレーション結果は、このポストプロセッサにおいてメモリ構造化されて、シミュレーション結果の表示や別のシミュレーションに適用するなどの更なる操作のために出力される。これは、前記プリプロセッサでメモリ構造化を行った方法と同様に、CVのシミュレーション結果の各値を図3(a)に示す隣接マトリクスの“1”の要素の部分に置き換えることによって、冷媒情報を記憶させる簡単なメモリ構造を提供するものである。具体的には、例えば、空気又は冷媒に関する状態パラメータとしての流量、流入/流出温度、流入/流出エンタルピー等のメインプロセッサで求めた各値をそれぞれのパラメータ毎にマトリクスとして図3(b)に示すメモリ構造化することで、これらのデータの利用を容易に行うことが可能となる。
[Post-processor];
All CV simulation results obtained in the main processor are structured in memory in the post processor and output for further operations such as display of simulation results and application to another simulation. This is because, similar to the method of structuring the memory by the preprocessor, each value of the CV simulation result is replaced with the element portion of “1” in the adjacent matrix shown in FIG. A simple memory structure for storage is provided. Specifically, for example, values obtained by the main processor such as flow rate, inflow / outflow temperature, inflow / outflow enthalpy as state parameters relating to air or refrigerant are shown in FIG. 3B as a matrix for each parameter. By making the memory structure, it becomes possible to easily use these data.
このように、本発明による熱交換器のシミュレータは、プリプロセッサにおいてチューブ間の接続関係を隣接マトリクスで表現するとともに冷媒流量を隣接マトリクスを修正してメモリ構造化し、メインプロセッサにおいて各CVのエネルギー保存方程式と運動量保存方程式を図4に示す新しい全体交互反復アルゴリズムで独立に解き、ポストプロセッサにおいて各CVの支配方程式の解を更なる操作においてデータ利用を容易に行えるようにメモリ構造化することで終了するものであり、以下のような効果を有する。 As described above, the simulator of the heat exchanger according to the present invention expresses the connection relationship between the tubes in the preprocessor in the adjacent matrix and modifies the adjacent flow rate of the refrigerant flow rate into the memory structure, and the main processor stores the energy conservation equation of each CV. And the momentum conservation equation are solved independently by the new globally iterative algorithm shown in FIG. 4, and the solution of the governing equation of each CV is made into a memory structure so that data can be easily used in further operations in the post processor. And has the following effects.
プリプロセッサにおいて作成した隣接マトリクスは、冷媒回路の任意の配置におけるチューブ間の接続関係を表すための簡単で直観的な表現手段を与えるものである。また、ポストプロセッサにおいて、流量、流入/流出温度、流入/流出エンタルピー等の冷媒情報を記憶するための簡単なメモリ構造を提供することができる。よって、チューブ接続の情報、チューブの中の冷媒流情報、CV毎の演算結果の情報などを容易に表現することができる。 The adjacency matrix created in the preprocessor provides a simple and intuitive expression means for representing the connection relationship between tubes in an arbitrary arrangement of refrigerant circuits. In addition, it is possible to provide a simple memory structure for storing refrigerant information such as flow rate, inflow / outflow temperature, inflow / outflow enthalpy in the post processor. Therefore, information on tube connection, refrigerant flow information in the tube, calculation result information for each CV, and the like can be easily expressed.
メインプロセッサにおいて使用した全体交互反復アルゴリズムは、従来の局所交互反復アルゴリズムにおける3段階のネスト構造を2段階にし、エネルギー保存方程式を解くための3段階反復法を2段階反復法にしたため、全体としての反復回数が減るばかりでなく収束の容易性を高め、信頼性の高いシミュレーション結果を提供する熱交換器のシミュレータを実現している。また、全体としての反復回数を減らすことにより、シミュレーションにかかる計算時間を大幅に短縮することを可能にしている。 The overall alternating iteration algorithm used in the main processor is a two-step iterative method for solving the energy conservation equation because the three-stage nested structure in the conventional local alternating iteration algorithm is made into two steps, and the two-step iterative method as a whole. It realizes a heat exchanger simulator that not only reduces the number of iterations but also increases the ease of convergence and provides highly reliable simulation results. Further, by reducing the number of iterations as a whole, it is possible to greatly reduce the calculation time required for the simulation.
ここで、従来の局所交互反復アルゴリズムと本発明の全体交互反復アルゴリズムとにおいて、それぞれのシミュレーションにかかる計算時間について簡単に比較してみる。先ず、従来の図8に示す局所交互反復アルゴリズムにおいて、(S803)で1つのCVのエネルギー保存方程式を解くために使用するシミュレーション時間をτe,1とし、(S804)で1つのCVの運動量保存方程式を解くために使用するシミュレーション時間をτm,1とし、(S809)による反復手順の反復回数をN1とし、(S810)による反復手順の反復回数をN2とし、(S811)によるループ回数(CVの数に等しい)をNとし、(S812)による反復手順の反復回数をN3とする。また、(S803)で1つのCVのエネルギー保存方程式を解くために使用する図9に示す3段階反復法において、(S914)による反復手順の反復回数をN4とし、(S915)による反復手順の反復回数をN5とし、(S916)による反復手順の反復回数をN6とする。エネルギー保存方程式又は運動量保存方程式のいずれかにかかわらず1つの方程式を解くのに必要な単位時間消費量をτ0とすると、局所交互反復アルゴリズムを用いた場合の全体のシミュレーション時間消費量τtotal,1は、以下の式で表すことができる。
Here, in the conventional local alternating iterative algorithm and the overall alternating iterative algorithm of the present invention, the calculation time required for each simulation will be briefly compared. First, in the conventional local alternating iteration algorithm shown in FIG. 8, the simulation time used to solve the energy conservation equation of one CV in (S803) is τ e, 1, and the momentum conservation of one CV is performed in (S804). The simulation time used to solve the equation is τ m, 1 , the number of iterations of the iteration procedure according to (S809) is N1, the iteration number of the iteration procedure according to (S810) is N2, and the number of loops according to (S811) (CV Is equal to N), and the number of iterations of the iteration procedure according to (S812) is N3. In the three-stage iteration method shown in FIG. 9 used to solve the energy conservation equation of one CV in (S803), the iteration number of the iteration procedure according to (S914) is set to N4, and the iteration procedure according to (S915) is repeated. The number of times is N5, and the number of iterations of the iteration procedure according to (S916) is N6. If the unit time consumption required to solve one equation regardless of either the energy conservation equation or the momentum conservation equation is τ 0 , the total simulation time consumption τ total, when using the local alternating iteration algorithm , 1 can be represented by the following formula.
これに対して、図4に示す本発明による全体交互反復アルゴリズムにおいて、(S403)で1つのCVのエネルギー保存方程式を解くために使用するシミュレーション時間をτe,2とし、(S407)で1つのCVの運動量保存方程式を解くために使用するシミュレーション時間をτm,2とし、(S413)による反復手順1の反復回数をN7とし、(S415)による反復手順2の反復回数をN8とし、(S416)による反復手順3の反復回数をN9とし、(S412)又は(S414)によるループ回数(CVの数に等しい)をNとする。また、(S403)で1つのCVのエネルギー保存方程式を解くために使用する図5に示す2段階反復法において、(S514)による反復手順4の反復回数をN10とし、(S515)による反復手順5の反復回数をN11とし、(S516)による反復手順6の反復回数をN12とする。エネルギー保存方程式又は運動量保存方程式のいずれかにかかわらず1つの方程式を解くのに必要な単位時間消費量をτ0とすると、本発明の全体交互反復アルゴリズムを用いた場合の全体のシミュレーション時間消費量τtotal,2は、以下の式で表すことができる。
On the other hand, in the overall alternating iterative algorithm according to the present invention shown in FIG. 4, the simulation time used for solving the energy conservation equation of one CV in (S403) is τ e, 2, and one in (S407). The simulation time used to solve the momentum conservation equation of CV is τ m, 2 , the iteration number of
上記式(10)と式(11)によって、従来の局所交互反復アルゴリズムでかかるシミュレーション時間消費量τtotal,1と本発明の全体交互反復アルゴリズムでかかるシミュレーション時間消費量τtotal,2とをそれぞれ求めることができる。ここで、これら2つの時間消費量を比較するために、前記反復回数N1〜N12の値を全て10として、2つの式を比較すると、以下のようになる。
この場合には、従来の局所交互反復アルゴリズムに比べて本発明の全体交互反復アルゴリズムの計算時間は、1/50の時間で済むことを意味している。実際には、反復回数はそれぞれ異なり、一概に同一の値を用いて計算できるものではないが、前記反復回数N1〜N12の値を5〜20に設定することで、全体としての計算時間を約1/12〜1/200に短縮することができる。
From the above equations (10) and (11), the simulation time consumption τ total, 1 required for the conventional local alternating iteration algorithm and the simulation time consumption τ total, 2 required for the overall alternating iteration algorithm of the present invention are obtained, respectively. be able to. Here, in order to compare these two time consumptions, when the values of the number of iterations N1 to N12 are all 10 and the two expressions are compared, the following is obtained.
In this case, it means that the calculation time of the overall alternating iterative algorithm of the present invention is only 1/50 as compared with the conventional local alternating iterative algorithm. Actually, the number of iterations is different and cannot be calculated using the same value. However, by setting the number of iterations N1 to N12 to 5 to 20, the total computation time is reduced. It can be shortened to 1/12 to 1/200.
このように、実際の計算時間は、エネルギー保存方程式を解くための3段階反復法を2段階反復法にすることで、この部分の計算時間を従来に比べて約1/40〜1/60に短縮することができ、また、従来の局所交互反復アルゴリズムにおける3段階のネスト構造を全体交互反復アルゴリズムにおいて2段階に変更することにより、全体としての計算時間を約1/12〜1/200に短縮することができる。 As described above, the actual calculation time is reduced to about 1/40 to 1/60 of the conventional calculation time by changing the three-stage iterative method for solving the energy conservation equation to the two-step iterative method. The total computation time can be reduced to about 1/12 to 1/200 by changing the three-stage nested structure in the conventional local alternating iteration algorithm into two stages in the overall alternating iteration algorithm. can do.
前記実施例では、隣接マトリクスをチューブの接続関係を表現するものとして用い、同一チューブは同一のNo.をつけて処理していたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図6に示すような熱交換器の手前側と奥側とで同一のチューブであっても区別して演算を行いたいような場合には、奥側のチューブに対してもそれぞれNo.を付して、これを隣接マトリクスで表現することで容易に対応することができる。この方法を用いれば、CVをどのように分割したとしても、隣接マトリクスを用いて接続関係を表現することができる。 In the above embodiment, the adjacent matrix is used to express the connection relationship of the tubes, and the same tube is processed with the same No., but the present invention is not limited to this. For example, if it is desired to perform the calculation separately even for the same tube on the front side and the back side of the heat exchanger as shown in FIG. Then, this can be easily handled by expressing it as an adjacency matrix. Using this method, no matter how the CV is divided, the connection relationship can be expressed using the adjacency matrix.
(S401)〜(S416)…全体交互反復アルゴリズムにおける各手順を表した符号、(S501)〜(S516)…2段階反復法における各手順を表した符号、(S801)〜(S813)…局所交互反復アルゴリズムにおける各手順を表した符号、(S901)〜(S916)…3段階反復法における各手順を表した符号。 (S401) to (S416): code representing each procedure in the overall alternating iterative algorithm, (S501) to (S516) ... code representing each procedure in the two-step iteration method, (S801) to (S813) ... local alternating A code representing each procedure in the iterative algorithm, (S901) to (S916)... A code representing each procedure in the three-stage iterative method.
Claims (5)
熱交換器の構造上のパラメータ、冷媒と空気の流入状態のパラメータ、チューブ間の接続関係等の初期条件を入力してコンピュータのメモリに記憶する入力手順と、
前記メモリに記憶された初期条件及び与えられた圧力場の条件に基づいて、冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについてエネルギー保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す処理をコンピュータの演算処理部において行い、各CVごとに収束した温度場を得てメモリに記憶する反復手順1と、
前記メモリに記憶された初期条件及び前記反復手順1によって得られた温度場に基づいて、冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについて運動量保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す処理をコンピュータの演算処理部において行い、各CVごとに収束した圧力場を得てメモリに記憶する反復手順2と、
前記反復手順1による演算と前記反復手順2による演算とによって得られた温度場と圧力場を交互に更新してメモリに記憶し、全てのCVについてエネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解が収束するまで、互いの手順で更新された温度場又は圧力場に基づいて反復手順1と反復手順2とを繰り返す処理をコンピュータの演算処理部において行う反復手順3と
によって各CV及び熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とする熱交換器のシミュレーション方法。 The heat exchanger consisting of fins and tubes is divided into an arbitrary local examination volume (control volume, hereinafter referred to as CV) containing three parts: refrigerant, air, and fin-tube, and energy conservation equations and momentum at each CV. In a heat exchanger simulation method characterized by calculating a solution of a conservation equation by a computer and obtaining a heat exchange characteristic at each CV and a heat exchange characteristic of the entire heat exchanger,
Input procedure for inputting initial conditions such as structural parameters of the heat exchanger, parameters of the inflow state of refrigerant and air, connection relation between tubes, and storing them in the memory of the computer,
Based on the initial conditions stored in the memory and the conditions of the given pressure field, solve only the energy conservation equations for all CVs in a predetermined order determined along the refrigerant flow path and calculate until each solution converges The iterative procedure 1 is performed in the arithmetic processing unit of the computer, the temperature field converged for each CV is obtained and stored in the memory , and
Based on the initial conditions stored in the memory and the temperature field obtained by the iterative procedure 1, only the momentum conservation equations are solved for all CVs in a predetermined order determined along the refrigerant flow path, and each solution converges. An iterative procedure 2 in which a calculation process is repeated in the computer processing unit until a pressure field converged for each CV is obtained and stored in a memory ;
The temperature field and the pressure field obtained by the calculation by the iteration procedure 1 and the calculation by the iteration procedure 2 are alternately updated and stored in the memory, and the solutions of the energy conservation equation and the momentum conservation equation converge for all CVs. Up to the heat of each CV and the entire heat exchanger by the iterative procedure 3 in which the processing of the iterative procedure 1 and the iterative procedure 2 is repeated in the computer processing unit based on the temperature field or pressure field updated by the mutual procedure. A method for simulating a heat exchanger, characterized by obtaining an exchange characteristic.
熱交換器の構造上のパラメータ、冷媒と空気の流入状態のパラメータ、チューブ間の接続関係等の初期条件を入力してコンピュータのメモリに記憶する入力手段と、
前記メモリに記憶された初期条件及び与えられた圧力場の条件に基づいて、冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについてエネルギー保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す処理をコンピュータの演算処理部において行い、各CVごとに収束した温度場を得てメモリに記憶する反復手段1と、
前記メモリに記憶された初期条件及び前記反復手段1によって得られた温度場に基づいて、冷媒流路に沿って定めた所定の順番で全てのCVについて運動量保存方程式のみを解きそれぞれの解が収束するまで計算を繰り返す処理をコンピュータの演算処理部において行い、各CVごとに収束した圧力場を得てメモリに記憶する反復手段2と、
前記反復手段1による演算と前記反復手段2による演算とによって得られた温度場と圧力場を交互に更新してメモリに記憶し、全てのCVについてエネルギー保存方程式と運動量保存方程式の解が収束するまで、互いの手順で更新された温度場又は圧力場に基づいて反復手段1と反復手段2とを繰り返す処理をコンピュータの演算処理部において行う反復手段3と
によって各CV及び熱交換器全体の熱交換特性を求めることを特徴とする熱交換器のシミュレータ。 The heat exchanger consisting of fins and tubes is divided into an arbitrary local examination volume (control volume, hereinafter referred to as CV) containing three parts: refrigerant, air, and fin-tube, and energy conservation equations and momentum at each CV. In a heat exchanger simulator characterized in that the solution of the conservation equation is calculated by a computer and the heat exchange characteristics at each CV and the heat exchange characteristics of the entire heat exchanger are obtained.
Input means for inputting initial conditions such as structural parameters of the heat exchanger, parameters of the inflow state of the refrigerant and air, connection relation between the tubes, etc., and storing them in the memory of the computer,
Based on the initial conditions stored in the memory and the conditions of the given pressure field, solve only the energy conservation equations for all CVs in a predetermined order determined along the refrigerant flow path and calculate until each solution converges Repetitive means 1 for performing the process of repeating the above in the arithmetic processing unit of the computer, obtaining the temperature field converged for each CV, and storing it in the memory ;
Based on the initial conditions stored in the memory and the temperature field obtained by the repetitive means 1, only the momentum conservation equations are solved for all the CVs in a predetermined order determined along the refrigerant flow path, and the respective solutions converge. Repetitive means 2 that repeats the calculation until it is performed in the arithmetic processing unit of the computer, obtains the pressure field converged for each CV, and stores it in the memory ;
The temperature field and pressure field obtained by the calculation by the repetition means 1 and the calculation by the repetition means 2 are alternately updated and stored in the memory, and the solutions of the energy conservation equation and the momentum conservation equation converge for all CVs. Up to the heat of each CV and the entire heat exchanger by the repetitive means 3 that performs the process of repeating the repetitive means 1 and the repetitive means 2 in the computer processing unit based on the temperature field or pressure field updated by the mutual procedure. A heat exchanger simulator characterized by obtaining an exchange characteristic.
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