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沸腾|04 Fluent设置

内容纲要

本文描述Fluent仿真计算壁面沸腾问题的一般设置步骤。

注:内容来自Fluent User Guide27.5.8。


在Fluent中使用壁面沸腾模型,存在以下限制:

  • 该模型只能使用在Eulerian多项流下
  • 该模型只能在压力基求解器下使用

1 激活沸腾模型

  • 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase打开多相流模型设置对话框
    • 选中Eulerian多相流模型
    • 选择Boiling Model模型
    • 选择子模型RPI Boiling Model, Non-equilibrium Boiling或Critical Heat Flux
    • 设置Number of Eulerian Phases。可以由两相组成:液相与其沸腾后的蒸汽相,也可以包含非沸腾相。
▲ 多相流设置对话框

注意:

  • 若要包含液相体积分数效应,可以使用TUI命令solve/set/multiphase-numeric/boiling-parameters/liquid-vof-factor。当此选项被激活时,沸腾模型的换热系数将会与当地液相体积分数相乘。
  • 若要包含薄膜效应,可以使用TUI命令solve/set/multiphase-numeric/boiling-parameters/thin-film

2 激活能量方程

当沸腾模型被激活时,能量方程会被自动打开。

3 设置操作条件

在操作条件设置对话框中激活重力加速度与操作压力。沸腾模拟通常都需要开启重力加速度以考虑蒸汽相的浮力。

4 湍流模型

选择与Eulerian模型兼容的湍流模型。

5 材料介质

指定液相、汽相以及其他相的材料介质参数。

对于液相与蒸汽相,需要指定Standard State Enthalpy以计算相变潜热。为方便计算,常将液相的标准状态焓设置为0,而将汽相的标准状态焓指定为相变潜热。

6 定义相

通常指定液相为主相,指定蒸汽相为次相。在相定义对话框中,指定汽相粒径为boiling-dia。也可以将粒径指定为常数或UDF。

▲ 指定相

7 指定相间相互作用

7.1 指定相间动量传递

打开Phase Interaction标签页,打开下方的Force子标签页,设置参数。

  • 指定Drag Coefficient。对于沸腾流动,通常选用Ishii模型
  • 指定Lift Coefficient。沸腾流动通常指定tomiyama模型
  • 指定Wall Lubrication。沸腾选用antal-et-al模型
  • 指定Turbulent Dispersion,沸腾选用lopez-de-bertodano模型
  • 指定Turbulence Interaction,沸腾选用troshko-hassan模型
  • 指定virtual Mass Coefficient,一般采用默认值0.5
  • 指定Surface Tension Coefficient,可以使用常数表面张力系数
▲ 指定相间力作用

7.2 指定相间界面面积

进入Interfacial Area标签页,设置参数。

  • 指定Interfacial Area参数,对于沸腾模拟,可以选用ia-symmetricia-particle模型
▲ 指定Interfacial Area

7.3 指定相间传热

进入Heat,Mass,ReactionsHeat标签页,指定模型参数。

  • 指定Heat Transfer Coefficient,沸腾模拟通常采用ranz-marshall模型
▲ 指定相间传热

7.4 指定相间传质

进入Mass标签页,指定模型参数。

  • 指定Number of Mass Transfer Mechanisms参数
  • 指定From PhaseTo Phase,一般情况下设置From Phase为液相,设置To Phase为汽相
  • 选择Mechanismboiling,软件弹出沸腾模型设置对话框
▲ 指定相间传质

7.5 指定沸腾模型参数

沸腾模型设置对话框如图所示。

▲ 沸腾模型设置对话框
  • 指定参数Interfacial Model Constants,该参数默认值为1。若使用RPI模型,则无需指定参数Vapor-Interface Transfer Coeff,因为汽相温度固定为饱和温度。
  • 指定参数Saturation Temperature。该参数可以为常数,也可以指定为压力的函数,包括polynomial、piecewise-polynomial及piecewise-linear,需要注意若将饱和温度指定为压力的函数,则必须确保压力为绝对压力
  • Bubble Departure Diameter。5种选项可供选择:tolubinski-kostanchuk (默认模型), unal, kocamustafaogullari-ishii, constant及user-defined.
  • Frequency of Bubble Departure。可以选择cole模型,也可以指定常数。
  • Nucleation Site Density。可以指定lemmert-chawla(默认选项)kocamustafaogullari-ishiiuser-defined

注:在使用kocamustafaogullari-ishii模型时,通常将其同时用于Bubble Departure Diameter及Nucleation Site Density。

  • Area Influence Coeff.。可以指定为delvalle-kenning模型,也可以指定为常数,或使用UDF进行定义
  • Quenching Model Correction描述壁面热流分配中的淬火项。壁面热流分配中的中的淬火项以T为周期,模拟了气泡破裂后填充壁面附近液体的循环平均瞬态能量传递,其表达式为:

式中,为液相热导率,为时间周期,为液相扩散系数。为Bubble Waiting Time Coefficient,用于修正连续气泡脱离的间隔时间,其默认值为1,可以修改该参数,不过只能设置为常数。

从上式可以看出,淬冷模型严重依赖于液相温度变量,这导致其计算结果依赖于网格。为了解决此问题,Fluent提供了两种方式:Fixed Yplus ValueFixed Liquid Temperature

注意:当远离壁面的区域的计算温度低于操作温度Operating Temperature(在工作条件对话框的Boussinesq参数组框中设置)时,求解器使用操作温度进行淬火校正。

▲ 采用固定Y+值

若想要使用校正模型,可在面板中激活选项Correction Model

  • 根据Egorov and Mentor[1]的建议,若要使用壁函数的对数形式来估计固定Yplus值时的液体温度,可以选择选项Fixed Yplus Value,而不是使用近壁网格中的液体温度值。输入参数Minimum Reference Temperature,该参数限制液相温度的最小值,该温度值不应低于液体入口温度。指定一个Yplus值。默认设置为250。
  • 如果选择Fixed Liquid Temperature,需要指定参数Liquid Reference Temperaturestandard, constant, or user-defined。同时还需要输入Minimum Reference Temperature,该温度通常应设置为入口液体温度和饱和温度之间值,用于计算淬火热流。
▲ 采用固定液相温度

也可以使用UDF宏DEFINE_BOILING_PROPERTY指定这些参数。

8 指定边界条件

对于淬火壁热通量,Koncar等[2]提出,为了在计算淬火传热时避免网格依赖,必须使用一个将固定归一化距离(y+ = 250)的温度与近壁单元温度联系起来的因子。

与壁面沸腾模型相兼容的壁面边界包括:等温壁面、指定热流以及指定换热系数。

thin wall模型不能用于沸腾模型。

9 求解方法

  • 通常选用Coupled作为pressure-velocity coupling scheme。尽管Phase Coupled SIMPLE选项也可以选用,不过该方法稳健性较差,不建议用于稳态沸腾或传质问题中。
▲ 设置Methods参数
  • 设置Controls参数
    • Courant Number:建议使用1~20,首次计算使用10。
    • Explicit Relaxation Factors:使用默认值1
    • Vaporization Mass:使用松弛因子0.5~1. 首次计算使用1.
    • Volume Fraction:使用松弛因子0.3~0.5.
    • Turbulent Kinetic Energy:使用松弛因子0.3~0.8.
    • Turbulent Viscosity:使用松弛因子0.5~1.0.
    • Energy:使用松弛因子0.5~0.8.
▲ 设置Controls参数

参考文献

[1]

Y. Egorov and F. Menter. Experimental Implementation of the RPI Wall Boiling Model in CFX-5.6. Technical Report. ANSYS/TR-04-10, ANSYS GmbH. 2004.

[2]

B. Koncar, I. Kljenak, and R. Mavko. Modeling of Local Two-Phase Flow Parameters in Upward Subcooled Flow Boiling at Low Pressure. International Journal of Heat and Mass Transfer. 47. 1499–1513. 2004.

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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文章名称:《沸腾|04 Fluent设置》
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