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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：本发明提供一种基于立方体单元有限差分的球形金属粒子传热数值计算方法，属于传热学和数值计算领域，包括以下步骤：1确定正方体计算域；2计算域离散和单元编号；3建立球形差分网格模型和单元提取；4球体内部单元和边界单元定义；5模型离散的体积、面积损失评估与校正；6球形金属粒子凝固传热数值计算。本发明基于有限差分法，实现了采用立方体单元划分球形计算域，并依据所划分的网格，制定内部网格和边界网格的计算规则，实现了金属球形粒子温度场的准确计算，并与三维极坐标系下球形粒子温度场分布的计算结果进行对比，已证实本发明提出的方法具有较高的计算精度，且方案简洁，易于编程实现。

主权项：1.一种基于立方体单元有限差分的球形金属粒子传热数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1确定正方体计算域：针对给定的球形金属粒子直径d，建立三维笛卡尔直角坐标系，将球体中心置于坐标系原点0,0,0；取与球体表面外切的大正方体为计算域，正方体计算域在x、y、z三个方向上的长度都为d；2计算域离散和单元编号：采用小立方体单元对计算域进行离散，网格总数为N3，其中N表示x、y、z每个方向的网格划分数量，立方体单元的边长为dN；为网格单元编号和设置坐标，其中每个小立方体单元的坐标为该单元中心在三个方向上的坐标，编号的次序为x方向从左至右，y方向从前至后，z方向从下至上；3建立球形差分网格模型和单元提取：以坐标系原点为中心，以微球半径d2为半径，逐次计算N3个小立方体单元中心至球体中心的距离，将该距离定义为r；当rd2时，则该单元在球体外部，赋单元属性为OUT，计算时不予考虑；当r＝d2时，该单元位于球内部，赋单元属性为IN_BALL，并存储单元的编号，将满足条件的单元总数记为NBall，所有的球内部单元网格即构成了球形差分网格模型；4球体内部单元和边界单元定义：针对3中得到的NBall个所有单元进行迭代判断，包括对每个单元的最近邻6个单元进行判断，当最近邻的正左、正右、正前、正后、正上、正下的6个单元均存在，且属性都为IN_BALL时，则判定该单元为球体内部单元，赋属性IN_BALL_INSIDE，存储和记录单元编号，将满足条件的单元总数记为NBall_Inside；否则，单元为球体表面单元，赋属性IN_BALL_SURFACE，存储和记录单元编号，将满足条件的单元总数记为NBall_Surface；5模型离散的面积、体积损失评估与校正：对于步骤4使用有限差分立方体网格单元构建的球形计算域，由于其计算域表面为小立方体网格堆砌而成，为非光滑曲面，会出现体积损失的现象，所以需要对建立的有限差分网格模型进行体积损失验证；计算该网格模型的体积损失，之后，计算离散模型的面积校正系数；6球形金属粒子传热与凝固数值计算：使用步骤5建立的球形差分网格模型，由于内部和边界的换热形式不同，根据位置不同制定内部网格和边界网格的传热计算规则，来正确施加对流和辐射换热边界条件；并根据球形金属粒子的合金热物性参数、对流和辐射换热边界条件参数，模拟计算球形粒子在相应的计算条件下的传热和凝固行为。

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