本案例演示利用Fluent计算壁面沸腾问题。

1 问题描述

本案例计算的模型如图所示。竖直管道内径15.4 mm，长度2 m，外壁面热流345.6 kW/m2。当温度上升超过液体饱和温度后，壁面上将会产生蒸汽泡并离开壁面。由于主流流体为过冷流体，气泡在管道中心附近会被冷凝。

2 Fluent设置

早期Fluent版本需要使用UDF定义沸腾过程，不过新版本可以直接使用沸腾模型进行处理。

• 以2D、Double Precision模式启动Fluent
• 加载网格文件boiling-conjugate.msh.gz

注：沸腾模拟收敛性较差，本案例采用先计算稳态流动，之后开启沸腾模型进行计算的策略。

2.1 General设置

• 进入General面板，选中选项Axisymmetric
• 激活选项Gravity，设置重力加速度为x方向-9.81 m/s2

注：本例为轴对称模型，Fluent要求二维轴对称模型的对称轴为X轴，因此指定重力加速度方向为X方向。

• 指定压力单位为atm

注：后面设置参考压力为45 atm。

2.2 Models设置

• 开启能量方程

• 采用Realiable k-epsilon湍流模型

2.3 Materials设置

• 从材料数据库中添加材料water-liquid(h2o)
• 指定Density为piecewise-linear

如下图所示。

• 指定Cp参数为piecewise-linear，数据如下表所示

• 指定Thermal Conductivity参数为piecewise-linear，数据如下表所示

• 指定Viscosity参数为piecewise-linear，数据如下表所示

• 设置完毕后的材料对话框如下图所示

2.4 设置计算区域

• 右键选择模型树节点fluid，点击弹出菜单项**Edit…**打开设置对话框

• 指定计算区域材料为water-liquid

• 删掉固体区域

注：做共轭传热本来是没有问题的，但本案例的计算网格存在问题，流体域固体之间应该采用interface，而本案例使用的是影子面。这里懒得去改了，干脆将固体区域去掉算了。

2.5 操作条件

• 打开操作条件设置对话框，指定Operating Pressure为45 atm，指定Operating Temperature为503 k

2.6 设置边界条件

1、inlet设置

• 如下图所示指定入口速度1 m/s

• 指定温度为473.15 k

2、outlet设置

• 如下图所示设置outlet边界条件

2.7 设置残差

• 如下图所示指定连续方程残差为1e-8

2.8 初始化并计算

• 指定迭代次数为500，并进行计算

2.9 导出出口数据

将出口数据导出为profile文件并作为沸腾计算的入口边界。

• 利用菜单**File → Write → Profile…**打开设置对话框
• 选择outlet，并选择Velocity Magnitude、Turbulence Kinetic Energy (k)及Turbulent Dissipation Rate (Epsilon) ，点击按钮Write…保存文件liquid-outlet.prof

3 沸腾计算

• 利用菜单File → Read → Profile…读入文件liquid-outlet.prof

3.1 设置多相流模型

• 打开多相流设置对话框，选择Eulerian多相流模型
• 选择Boiling Model及RPI Boiling Model

3.2 指定材料属性

• 修改液相水介质属性

• 从材料数据库中添加介质材料water-vapor

注：设置液相标准状态焓为0，将汽相标准状态焓设置为气化潜热。45 atm环境下水的汽化潜热1661 J/g，转换为标准状态焓为

3.3 指定相

• 设置液态水为主相，水蒸气为次相，并指定水蒸气粒径为boiling-dia，如下图所示

3.4 指定相间作用

• 如下图所示指定相间作用力模型

• 如图所示指定相间传热模型为ranz-marshall

• 如图所示指定相间传质模型为boiling

• 如下图所示指定饱和温度为533.15 k

• 如图所示指定界面面积处理模型为ia-particle

3.5 设置操作条件

• 设置操作温度为503.15 k

3.6 设置边界条件

1、指定inlet边界

• 设置inlet边界的Mixture相，如下图所示

• 设置inlet边界water相，指定其速度分布

• 设置inlet边界液相温度为473.15 k

• 指定inlet边界蒸汽相速度为0

• 指定入口边界蒸汽相温度

注：由于入口边界不存在蒸汽相，因此入口蒸汽相温度可以随意设置。然而在RPI模型中，所有蒸汽相温度均为饱和温度。

2、指定outlet边界

• 指定outlet边界回流总温533.15 k

• 指定出口蒸汽相回流体积分数

3、wall边界

• 指定wall边界壁面热流345600 w/m2

3.7 Methods设置

• 进入Methods设置面板，指定压力-速度耦合算法为Coupled

3.8 Controls设置

• 如下图所示指定各参数的亚松弛因子

3.9 监测出口蒸汽流量

• 监测出口蒸汽相流量

3.10 计算

• 设置迭代次数500并开始计算

4 计算结果

• 出口附近蒸汽相分布如下图所示

• 沿加热壁面的蒸汽相体积分数分布

5 换用其他模型计算

• 换用Non-equilibrium Boling模型

• 非平衡模型计算结果

• 采用Critical Heat Flux模型

采用稳态方式计算CHF模型，由于涉及到多相流型转换，导致计算收敛性奇差，建议切换到瞬态计算，读者自己可尝试瞬态计算。

临近出口位置汽相体积分数出现明显瞬态波动，如下图所示。

注意：RPI模型无法考虑蒸汽被加热，其蒸汽温度固定在饱和温度上；Non-Equilibrium Boiling模型可以考虑蒸汽被加热，但无法考虑到流型转换；Critical Heat Flux模型可以考虑蒸汽加热，也可以考虑流型转换过程。

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道