CN117407634A - 一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法 - Google Patents

一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，涉及结霜预测领域，包括：步骤1：构建简化条件；步骤2：基于所述简化条件，建立无量纲霜层厚度与无量纲结霜时间之间的第一解析表达式；步骤3：构建无量纲结霜时间的第二解析表达式和无量纲霜层厚度的第三解析表达式；步骤4：将第三解析表达式和第二解析表达式带入第一解析表达式获得第四解析表达式；步骤5：获得待预测平板结霜厚度对应的结霜状态信息，基于结霜状态信息获得霜层平衡厚度和结霜特征时间，基于霜层平衡厚度和结霜特征时间，利用第四解析表达式计算获得对应的霜层厚度，本发明能够降低平板结霜厚度预测的计算量提高预测平板结霜厚度预测的效率。

Description

一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法
技术领域
本发明涉及结霜预测领域，具体地，涉及一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法。
背景技术
某新型低温换热器可将高速流动的高温气体迅速冷却至深低温。当气体被冷却至零下温度后，空气的饱和湿度将大大降低，由此将导致空气中的水蒸气在换热单元的低温表面凝华为霜。这种在高速气流流过换热单元的低温表面结霜的行为属于强对流条件下的低温表面结霜问题，是水蒸气凝华的气-固相变行为。这种水蒸气直接凝华为霜的气-固相变行为被称作干模态结霜，干模态结霜过程中不会出现液态水。由于这种低温表面的干模态结霜会引起换热器通道的堵塞，掌握不同来流速度、来流温度、低温表面温度和低温元件尺寸等结霜条件下的干模态结霜厚度生长情况对于设计换热器的换热单元尺寸、间距以及确定换热器冷却策略至关重要。为此，需要对不同结霜条件下的低温表面的干模态结霜行为进行预测。
对于某个确定的来流温度、来流速度、低温平板温度和低温平板长度的干模态结霜条件下，目前已有用于低温平板上霜层厚度随时间的变化的数值计算预测方法。该方法根据有量纲的来流温度、来流速度、低温平板温度和低温平板长度等参数构建能量方程和质量方程，并进行时间的迭代求解。然而，这种数值计算预测方法需要迭代求解，在实际使用中不太方便。此外，需要对每个不同的来流温度、来流速度、低温平板温度和低温平板长度等结霜条件组合进行单独计算，导致现有的预测方法计算量大，预测效率低。
发明内容
本发明目的为降低平板结霜厚度预测的计算量提高预测平板结霜厚度预测的效率。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，所述方法包括：
步骤1：构建简化条件；
步骤2：基于所述简化条件，建立无量纲霜层厚度与无量纲结霜时间之间的第一解析表达式；
步骤3：构建无量纲结霜时间的第二解析表达式和无量纲霜层厚度的第三解析表达式；
步骤4：将第三解析表达式和第二解析表达式带入第一解析表达式获得第四解析表达式；
步骤5：获得待预测平板结霜厚度对应的结霜状态信息，基于结霜状态信息获得霜层平衡厚度和结霜特征时间，基于霜层平衡厚度和结霜特征时间，利用第四解析表达式计算获得对应的霜层厚度。
其中，本方法在通过符合物理意义的近似简化后，获得强对流条件下低温平板结霜特征曲线，通过该曲线揭示了无量纲霜层厚度与无量纲结霜时间之间的唯一的解析解关系，而利用这一解析关系即可快速的实现霜层厚度预测，无需传统方式进行迭代计算，通过时刻t输入对应的表达式中即可计算获得对应的霜层厚度，本发明提出在满足近似简化的真实物理条件下，利用结霜特征曲线可以直接解析计算某个时刻的霜层厚度，可以对强对流条件下平板结霜厚度进行快速预测。
在一些实施例中，简化条件为：在预设温度区间内，且对流换热量与结霜相变的潜热释放量的比值大于第一阈值，且来流温度与第一温度差的比值大于第二阈值，预设温度区间为该温度区间的最大温度值与最小温度值的温度值差小于预设温度值，第一温度差为露点温度和冷面温度之差。
在一些实施例中，第一解析表达式的获得方式为：
对低温平板干模态结霜进行模拟，根据霜层质量变化率与水蒸气相变速率的关系构建霜层对应的质量守恒方程；
获得与低温平板干模态结霜相关的特征值，包括：无量纲温度、无量纲霜层厚度、无量纲结霜时间、无量纲湿度和无量纲霜层密度；
基于无量纲温度、无量纲霜层厚度、无量纲结霜时间、无量纲湿度和无量纲霜层密度对质量守恒方程进行处理得到无量纲质量守恒方程；
若结霜过程中霜层密度和热导率不变，则对无量纲质量守恒方程进行简化，获得第一无量纲质量守恒方程；
基于所述简化条件，对第一无量纲质量守恒方程进行简化处理获得所述第一解析表达式。
在一些实施例中，基于所述简化条件，对第一无量纲质量守恒方程进行简化处理获得所述第一解析表达式，包括：
在预设温度区间内，对空气饱和湿度进行线性简化，获得简化的空气饱和湿度关于温度的第一线性函数；
将无量纲霜面饱和湿度的表达式带入所述第一线性函数，获得第二函数；
当对流换热量与结霜相变的潜热释放量的比值大于第一阈值，对所述第二函数进行整理获得无量纲霜面饱和湿度关于无量纲霜层厚度的第一关系式；
当来流温度与第一温度差的比值大于第二阈值，对第一关系式进行整理，获得无量纲霜面饱和湿度数值上等于无量纲霜层厚度的第二关系式；
将第二关系式代入第一无量纲质量守恒方程，获得无量纲霜层厚度关于无量纲结霜时间的第一解析表达式。
在一些实施例中，第一解析表达式为：
δ＝1-e-τ
其中，δ为无量纲霜层厚度，τ为无量纲结霜时间；
第二解析表达式为：
其中，η为结霜特征时间，t为结霜时间；
第三解析表达式为：
其中，Xf为霜层厚度，δb为霜层平衡厚度；
第四解析表达式为：
在一些实施例中，霜层平衡厚度δb的计算方式为：
其中，kf为霜层热导率，h为对流换热系数，Ta为来流温度，Td为来流露点温度，Tw为低温平板温度；
其中，ka为空气热导率，L为低温平板沿来流方向的特征长度，为平均努塞尔数；
其中，ReL为雷诺数，Pr为普朗特数，u为来流空气速度，ν为来流空气运动黏性系数。
在一些实施例中，结霜特征时间η的计算方式为：
其中，初始霜层生长速率ξ的计算方式为：
其中，hm为水蒸气传质系数，ρv为来流湿度，ρsa(Tw)为低温平板温度所对应的饱和湿度，ρv-ρsa(Tw)为初始结霜时刻的水蒸气传质浓度差，h为对流换热系数，cpa为空气比热，ρa为空气密度，Le为路易斯数，n为常数。
在一些实施例中，结霜状态信息包括：来流温度Ta，来流露点温度Td和低温平板温度Tw。
在一些实施例中，所述方法还包括：计算预测获得霜层厚度的相对误差，对预测方法进行验证。其中，通过计算相对误差可以对本发明中预测方法的精度进行计算，进而验证本方法的可行性。
在一些实施例中，所述方法还包括：判断预测获得的霜层厚度是否超出对应的阈值，若超出则进行预警。其中，当预测出的霜层厚度超出阈值时则会影响低温换热器的正常使用，通过预警可提前进行处理或干预，保障低温换热器的正常使用。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在满足近似简化所代表的物理意义的结霜条件下，可基于结霜特征曲线所体现的关系，直接计算出某结霜时间对应的霜层厚度，而不需要迭代计算，可用于为快速便捷地强对流条件下低温平板干模态结霜的结霜厚度预测计算，减少预测的计算量，提高预测效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法的流程示意图；
图2为基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测流程示意图；
图3为无量纲结霜特征曲线示意图；
图4为某状态下迭代计算的无量纲霜层生长情况与结霜特征曲线的对比示意图；
图5为结霜特征曲线与某状态下迭代计算结果的无量纲霜层厚度预测相对误差对比示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
请参考图1，图1为基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法的流程示意图，本发明实施例一提供了一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，所述方法包括：
步骤1：构建简化条件；
步骤2：基于所述简化条件，建立无量纲霜层厚度与无量纲结霜时间之间的第一解析表达式；
步骤3：构建无量纲结霜时间的第二解析表达式和无量纲霜层厚度的第三解析表达式；
步骤4：将第三解析表达式和第二解析表达式带入第一解析表达式获得第四解析表达式；
步骤5：获得待预测平板结霜厚度对应的结霜状态信息，基于结霜状态信息获得霜层平衡厚度和结霜特征时间，基于霜层平衡厚度和结霜特征时间，利用第四解析表达式计算获得对应的霜层厚度。
在本实施例中，请参考图2，图2为基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测流程示意图，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：本发明中的平板结霜厚度快速预测方法，是基于强对流条件下平板干模态结霜特征曲线获得的，其中，无量纲结霜特征曲线如图3所示。该结霜特征曲线的基本情况如下。
步骤S1.1：结霜特征曲线基于三点具有真实物理意义的近似简化：1)在较窄的温度区间内即预设温度区间内，比如最高温度与最低温度之差小于10K的温度区间内，空气饱和湿度关于温度的变化可以近似为线性；2)当对流换热量远大于结霜相变的潜热释放量时，则可忽略传热中的潜热部分，即对流换热量与结霜相变的潜热释放量的比值大于第一阈值，第一阈值为通常为10，如对流换热量大于结霜相变的潜热释放一个数量级10以上；3)来流温度远大于来流露点温度和冷面温度之差，即露点温度和冷面温度的温差较小，即来流温度与第一温度差的比值大于第二阈值，第二阈值通常为10，如来流温度大于露点温度和冷面温度之差一个数量级10以上(例如来流温度为300K，露点温度和冷面温度之差为30K)。
步骤S1.2：在步骤S1.1中近似简化条件下，对于强对流条件下低温平板干模态结霜，无量纲霜层厚度δ与无量纲结霜时间τ之间有如下解析表达式关系：
δ＝1-e-τ (1)
该解析表达式与结霜的来流温度、来流速度、低温平板温度和低温平板尺寸等结霜条件均无关，无量纲结霜时间τ关于无量纲霜层厚度δ的对应关系具有唯一性。式(1)对应的关系曲线称为无量纲结霜特征曲线，简称结霜特征曲线。
结霜特征曲线有如下特性，无量纲霜层厚度变化区间为0～1，无量纲结霜时间与无量纲霜层厚度的对应关系如表1所示。无量纲结霜时间为1时，无量纲霜层厚度为0.632，无量纲结霜时间为2时，无量纲霜层厚度为0.865，当无量纲结霜时间为5时，无量纲霜层厚度为0.993。
表1结霜特征曲线中无量纲结霜时间与无量纲霜层厚度的对应关系
步骤S2：结霜达到平衡时，霜层厚度不再增加，此时的霜层厚度等于霜层平衡厚度。霜层平衡厚度δb可由下式求得：
其中，kf为霜层热导率、h为对流换热系数、Ta为来流温度、Td为来流露点温度(即来流湿度对应的露点温度)、Tw为低温平板温度。
当来流露点温度与低温平板温度温差不大的时候，霜层密度ρf和热导率kf可作为常数处理。h由下式求得：
式中，ka为空气热导率，L为低温平板沿来流方向的特征长度、为平均努塞尔数，平均努塞尔数可通过雷诺数ReL和普朗特数Pr计算得到，层流流动时的平均努塞尔数计算式如下：
式(5)中，空气的Pr取0.7，u为来流空气速度，ν为来流空气运动黏性系数。
对于确定的某个结霜状态，式(2)右边的所有参数均为已知量，则可以求出霜层平衡厚度δb。
步骤S3：将0时刻结霜速率定义为初始霜层生长速率ξ，可通过0时刻的质量守恒方程求得，如下式所示：
其中，hm为水蒸气传质系数、ρv为来流湿度、ρsa(Tw)为低温平板温度所对应的饱和湿度。(ρv-ρsa(Tw))为初始结霜时刻的水蒸气传质浓度差。
hm可根据传热传质比拟的Lewis关系式求得：
式(7)中，cpa为空气比热，ρa为空气密度，Le为路易斯(Lewis)数，对于空气Le一般取1，n值一般取0.33～0.4。
对于确定的某个结霜状态，式(6)右边的所有参数均为已知量，则可以求出初始霜层生长速率ξ。
步骤S4：将霜层平衡厚度δb除以霜层特征生长速率ξ定义为结霜特征时间，记为η：
步骤S5：无量纲结霜时间τ的定义为结霜时间t除以结霜特征时间η，如下式所示：
步骤S6：通过式(1)，使用无量纲结霜时间τ计算出无量纲霜层厚度δ。
步骤S7：无量纲霜层厚度δ的定义为霜层厚度Xf除以霜层平衡厚度δb，如下式所示：
无量纲霜层厚度δ所代表的物理含义为霜层厚度相对于霜层平衡厚度的百分比。则已知无量纲霜层厚度δ和霜层平衡厚度δb，即可由下式计算出霜层厚度Xf。
Xf＝δbδ(11)
步骤S8：利用式(9)和式(10)，可以将式(1)写为如下表达形式：
同样地，对于确定的某个结霜状态，霜层平衡厚度δb和结霜特征时间是确定的，因此可以利用式(12)，通过t直接解析求解霜层厚度Xf。
本发明的效果如图4和图5所示，图4为某状态下迭代计算的无量纲霜层生长情况与结霜特征曲线的对比示意图，从图4中可以看出两条无量纲霜层生长曲线几乎重合，说明使用结霜特征曲线预测霜层厚度方法可行，图5为结霜特征曲线与某状态下(Ta＝300K、Td＝270K、Tw＝260K)迭代计算结果的无量纲霜层厚度预测相对误差对比示意图，从图5中可以看出相对误差小于1％，说明相对于迭代计算，使用结霜特征曲线的预测结果精度高。
下面对本发明中的表达式构建过程进行介绍：
本发明是基于强对流条件下平板干模态结霜一维模拟方法(工程热物理学报-2022-01-01年，43卷，001期-快速来流条件下低温平板常物性霜层一维干模态结霜模拟研究)而来，选取霜层平衡厚度δb、初始霜层生长速率ξ和结霜特征时间η等参数作为特征量，归一化得到无量纲霜层厚度、无量纲结霜时间，对能量守恒方程和质量守恒方程进行无量纲化处理。
本发明中的特征曲线即第四解析表达式是基于强对流条件下平板干模态结霜一维模拟方法获得，强对流条件下平板干模态结霜一维模拟方法包括：
平板干模态结霜的一维模拟基于两点假设与简化：1)所形成的霜层较致密，可忽略霜层内部的传质，霜层一旦形成，其密度和热导率不再发生变化；2)由于霜层厚度变化较慢，可认为各时刻霜层内部均满足准稳态导热。基于准稳态导热假设，霜层内的传热控制方程为：
其中，x为霜层内部的高度，kf为x处的霜层热导率，T为霜层x处的温度。
根据霜层表面处的传热平衡关系构建能量守恒方程如下：
其中，式14方程左边为霜层内部导热量，方程右边第一项为对流换热量，方程右边第二项为水蒸气凝结为霜时所释放的潜热。其中，Xf为霜层厚度、h为对流换热系数、Ta为来流温度、Ts为霜面温度、hm为水蒸气对流传质系数、ρv为来流水蒸气密度(即是来流湿度)、γ为水蒸气的凝华潜热、ρsa为饱和湿度(ρsa(Ts)为霜面温度对应的饱和湿度)。
根据霜层质量变化率与水蒸气相变速率的关系构建质量守恒方程：
其中，式15方程左边为霜层质量变化率，方程右边为水蒸气相变速率，其中，t为结霜时间，ρf为t时刻霜面处新生成霜层的密度。
通过给定t＝0时刻的来流温度Ta、霜面温度Ts(t＝0时刻等于低温平板温度Tw)以及来流水蒸气密度ρv，数值迭代求解式(2)和式(3)，即可得到与结霜时间相关的低温平板干模态结霜的霜层厚度变化情况。
选择用于无量纲化处理的特征值，对能量守恒方程和质量守恒方程进行无量纲化处理，得到无量纲能量守恒方程和无量纲质量守恒方程，包括：
使用来流露点温度Td(来流水蒸气密度ρv对应的露点温度)和低温平板温度Tw定义无量纲温度为：
来流露点温度Td、霜层表面温度Ts和低温平板温度Tw对应的无量纲温度值(范围)为：
θd＝1，0≤θs≤1，θw＝0 (17)
其中，θd为来流露点温度Td的无量纲温度值，θs为霜层表面温度Ts对应的无量纲温度值，θw为低温平板温度Tw对应的无量纲温度值；
结霜达到平衡时，霜层厚度不再变化，能量守恒方程(15)中，霜层厚度等于平衡厚度，霜面温度Ts等于来流露点温度Td，且水蒸气相变释放潜热项(右边第二项)为0，则能量守恒方程(14)可写作：
其中，为霜层达到平衡厚度时的平均热导率，简称为霜层平衡热导率。
将无量纲温度代入式(18)中并经整理后，可写为霜层平衡厚度δb的表达式如下：
将霜层平衡厚度δb作为结霜的特征厚度，用于霜层厚度无量纲化，则归一化的无量纲霜层厚度可写为：
将0时刻的初始霜层生长速率定义为霜层特征生长速率，记为ξ：
其中，ρf0为结霜初始时刻的霜层密度，简称为初始霜层密度，由低温平板温度Tw决定。
将霜层平衡厚度δb除以霜层特征生长速率ξ定义为结霜特征时间，记为η：
将湿度按照以下方式进行处理获得无量纲湿度：
将霜层密度按照以下方式进行处理获得无量纲霜层密度：
将霜层热导率按照以下方式进行处理获得无量纲霜层热导率：
其中，kf0为结霜初始时刻的霜层热导率，简称为初始霜层热导率。
将式(16)无量纲温度、式(20)无量纲霜层厚度、式(22)无量纲结霜时间、式(23)无量纲湿度和式(24)无量纲霜层密度代入式(15)质量守恒方程可得到无量纲质量守恒方程：
将式(16)无量纲温度、式(20)无量纲霜层厚度、式(23)无量纲湿度和式(25)无量纲霜层热导率代入能量守恒方程(14)可得无量纲能量守恒方程：
γ为水蒸气的凝华潜热，ρv为来流水蒸气密度，将式(19)霜层平衡厚度代入式(27)，并省略等于1的Le数，将能量守恒方程整理成无量纲霜面温度θs的表达形式为：
当来流露点温度Td和低温平板温度Tw相差不大，结霜过程中的霜层物性(霜层密度和霜层热导率)变化不大，此时可将霜层近似为常物性，即在整个结霜过程中霜层密度和热导率不变。霜层热导率为常数，则无量纲霜层热导率为1，对于给定的结霜条件的霜层热导率，霜层平衡厚度δb也为一个确定的值，并可由下式求得：
将式(30)代入式(28)，无量纲能量守恒方程可进一步简化为如下形式：
通过上述方式可以获得无量纲质量守恒方程和无量纲能量守恒方程。
其中，本发明具体可以包括以下步骤：
本发明的建立强对流条件下低温平板干模态结霜特征曲线即表达式是基于常物性霜层近似条件下强对流条件下平板干模态结霜无量纲质量守恒方程而发展的。常物性霜层近似条件下强对流条件下平板干模态结霜无量纲质量守恒方程如下：
其中，δ为无量纲霜层厚度、τ为无量纲结霜时间、ω为来流空气的无量纲湿度、θs为霜层表面的无量纲温度，ωsa(θs)表示霜层表面无量纲温度对应的无量纲饱和湿度。
无量纲质量守恒方程中，方程左边为无量纲霜层生长速率，方程为无量纲湿度差(无量纲过余湿度)，其物理意义为无量纲霜层生长速率的驱动力为无量纲湿度差。
在具有真实物理意义的情况下，进行三项近似简化。
空气饱和湿度是关于温度的多项式非线性关系，无法通过式(32)获取更多的有益信息。但在较窄的温度区间内，空气饱和湿度关于温度的变化可以近似为线性。因此，对空气饱和湿度进行线性简化，简化的空气饱和湿度关于温度的线性函数如下：
ρsa(T)＝ρsa(Tw)+α(T-Tw) (33)
其中，T为温度、ρsa(T)为温度T时的空气饱和湿度、Tw为低温平板温度、α为线性函数的斜率系数。
步骤2.2：根据无量纲霜面饱和湿度的定义，并代入式(33)的线性关系后，无量纲霜面饱和湿度可写为两个温度差的比值，如下式所示：
其中，Td为来流露点温度、Ts为霜层表面温度、ρv为来流空气湿度、ρs为霜层表面温度对应的空气饱和湿度。
对于式(34)中右边项分母上的温差值，可通过如下式所示的结霜平衡时的能量守恒方程获得：
其中，kf为霜层热导率、h为对流换热系数、Ta为来流温度、δb为霜层平衡厚度。
当对流换热量远大于结霜相变的潜热释放量时，则可忽略传热中的潜热部分。因此，对于式(34)右边项分子上的温差值，可通过忽略了潜热的结霜过程中的能量守恒方程获得：
其中，Xf为霜层厚度。
将式(35)和式(36)整理后代入式(34)，可得到无量纲霜面饱和湿度关于无量纲霜层厚度的关系式：
由于霜面温度介于冷面温度和露点温度之间(Tw≤Ts≤Td)，当来流温度远大于露点温度和冷面温度之差，即：
Ta＞＞(Td-Tw) (38)
时，则式(37)的温差比值可近似等于1，即：
(Ta-Ts)/(Ta-Td)＝1 (39)
将式(39)代入式(37)，即可得到无量纲霜面饱和湿度数值上等于无量纲霜层厚度的关系式：
ωsa(θs)＝δ (40)
将式(40)代入式(32)无量纲质量守恒方程，即使用无量霜层厚度替换无量纲质量守恒方程中的无量纲霜面饱和湿度，则可得到如下关系：
对式(41)进行积分求解后，则得到了无量纲霜层厚度关于无量纲结霜时间的解析表达式：
δ＝1-e-τ (42)
由此，不需要给定初始条件进行迭代求解，便可直接通过解析式(42)对无量纲霜层厚度进行解析求解。
式(42)中只有因变量无量纲结霜时间τ和因变量无量纲霜层厚度δ两个变量参数，且无量纲结霜时间和无量纲霜层厚度的关系式固定的。无量纲结霜时间关于无量纲霜层厚度的曲线是唯一的，因此将该曲线称为无量纲结霜特征曲线，简称结霜特征曲线。
将式(42)中无量纲霜层厚度和无量纲结霜时间展开，还原为霜层厚度关于结霜时间的表达式：
其中，δb为霜层平衡厚度、η为结霜特征时间，结霜特征时间由霜层平衡厚度δb除以初始霜层生长速率ξ得到。
在满足近似简化所代表的物理意义的结霜条件下，可以通过式(43)直接计算出t时刻的霜层厚度Xf，而不需要进行迭代计算。结霜特征时间被赋予了时间常数的意义，表征了结霜的快慢。特征时间和特征厚度分别表征结霜快慢和霜层最大厚度，是动态结霜中最重要、最直观的两个量。
通过式43即第四解析表达式能够实现平板结霜厚度快速预测。
在一些实施例中，所述方法还包括：计算预测获得霜层厚度的相对误差，对预测方法进行验证。其中，通过计算相对误差可以对本发明中预测方法的精度进行计算，进而验证本方法的可行性，如图4和图5所示。
在一些实施例中，所述方法还包括：判断预测获得的霜层厚度是否超出对应的阈值，若超出则进行预警。比如预测在某个结霜状态：来流温度Ta，来流露点温度Td和低温平板温度Tw下的未来某个时刻t1对应的霜层厚度d1，此时判断d1是否超过低温换热器霜层厚度的阈值Y，当预测出的霜层厚度超出阈值时则会影响低温换热器的正常使用，通过预警可提前进行处理或干预，保障低温换热器的正常使用，若判断超出则可以提前进行调整，如调整来流温度或调整低温平板温度等。
在一些实施例中，本方法还可以应用与换热器设计中，如可提前获得换热器的工作条件数据和环境数据，通过这些数据可以获得换热器的结霜状态数据，通过换热器的结霜状态数据可以预测换热器在工作时时刻对应的结霜厚度，通过最大结霜厚度来对设计换热器的换热单元尺寸和间距进行设计。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：构建简化条件；
步骤2：基于所述简化条件，建立无量纲霜层厚度与无量纲结霜时间之间的第一解析表达式；
步骤3：构建无量纲结霜时间的第二解析表达式和无量纲霜层厚度的第三解析表达式；
步骤4：将第三解析表达式和第二解析表达式带入第一解析表达式获得第四解析表达式；
步骤5：获得待预测平板结霜厚度对应的结霜状态信息，基于结霜状态信息获得霜层平衡厚度和结霜特征时间，基于霜层平衡厚度和结霜特征时间，利用第四解析表达式计算获得对应的霜层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，简化条件为：在预设温度区间内，且对流换热量与结霜相变的潜热释放量的比值大于第一阈值，且来流温度与第一温度差的比值大于第二阈值，预设温度区间为该温度区间的最大温度值与最小温度值的温度值差小于预设温度值，第一温度差为露点温度和冷面温度之差。
3.根据权利要求2所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，第一解析表达式的获得方式为：
对低温平板干模态结霜进行模拟，根据霜层质量变化率与水蒸气相变速率的关系构建霜层对应的质量守恒方程；
获得与低温平板干模态结霜相关的特征值，包括：无量纲温度、无量纲霜层厚度、无量纲结霜时间、无量纲湿度和无量纲霜层密度；
基于无量纲温度、无量纲霜层厚度、无量纲结霜时间、无量纲湿度和无量纲霜层密度对质量守恒方程进行处理得到无量纲质量守恒方程；
若结霜过程中霜层密度和热导率不变，则对无量纲质量守恒方程进行简化，获得第一无量纲质量守恒方程；
基于所述简化条件，对第一无量纲质量守恒方程进行简化处理获得所述第一解析表达式。
4.根据权利要求3所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，基于所述简化条件，对第一无量纲质量守恒方程进行简化处理获得所述第一解析表达式，包括：
在预设温度区间内，对空气饱和湿度进行线性简化，获得简化的空气饱和湿度关于温度的第一线性函数；
将无量纲霜面饱和湿度的表达式带入所述第一线性函数，获得第二函数；
当对流换热量与结霜相变的潜热释放量的比值大于第一阈值，对所述第二函数进行整理获得无量纲霜面饱和湿度关于无量纲霜层厚度的第一关系式；
当来流温度与第一温度差的比值大于第二阈值，对第一关系式进行整理，获得无量纲霜面饱和湿度数值上等于无量纲霜层厚度的第二关系式；
将第二关系式代入第一无量纲质量守恒方程，获得无量纲霜层厚度关于无量纲结霜时间的第一解析表达式。
5.根据权利要求1所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，第一解析表达式为：
δ＝1-e-τ
其中，δ为无量纲霜层厚度，τ为无量纲结霜时间；
第二解析表达式为：
其中，η为结霜特征时间，t为结霜时间；
第三解析表达式为：
其中，Xf为霜层厚度，δb为霜层平衡厚度；
第四解析表达式为：
6.根据权利要求5所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，霜层平衡厚度δb的计算方式为：
其中，kf为霜层热导率，h为对流换热系数，Ta为来流温度，Td为来流露点温度，Tw为低温平板温度；
其中，ka为空气热导率，L为低温平板沿来流方向的特征长度，为平均努塞尔数；
其中，ReL为雷诺数，Pr为普朗特数，u为来流空气速度，ν为来流空气运动黏性系数。
7.根据权利要求5所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，结霜特征时间η的计算方式为：
其中，初始霜层生长速率ξ的计算方式为：
其中，hm为水蒸气传质系数，ρv为来流湿度，ρsa(Tw)为低温平板温度所对应的饱和湿度，ρv-ρsa(Tw)为初始结霜时刻的水蒸气传质浓度差，h为对流换热系数，cpa为空气比热，ρa为空气密度，Le为路易斯数，n为常数。
8.根据权利要求1所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，结霜状态信息包括：来流温度Ta，来流露点温度Td和低温平板温度Tw。
9.根据权利要求1所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，所述方法还包括：计算预测获得霜层厚度的相对误差，对预测方法进行验证。
10.根据权利要求1所述的一种基于结霜特征曲线的平板结霜厚度快速预测方法，其特征在于，所述方法还包括：判断预测获得的霜层厚度是否超出对应的阈值，若超出则进行预警。
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