本案例演示利用Fluent中的Critical Heat Flux沸腾模型仿真计算管内介质受管壁加热后的沸腾现象，并将计算结果与试验数据进行比较。

1 案例描述

计算模型如图所示。管道半径5 mm，长度7 m。入口为液态水，其温度555 K，质量通量为1495 kg/(m2-s)。壁面为均匀热流797000 W/m2。管道内部压力为7.02 MPa。

2 Fluent设置

2.1 General设置

• 鼠标双击模型树节点General，右侧面板选择Axisymmetric
• 激活选项Gravity启用重力加速度，设置重力加速度为X方向-9.81 m/s2

注：二维轴模型的对称轴必须为X轴，本案例几何模型是水平放置的，因此设置重力加速度沿着X轴负方向

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2.2 多相流模型设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase，弹出对话框中如下图所示，选择Eulerian，并选择Boiling Model及Critical Heat Flux

2.3 Models设置

• 右键选择模型树节点Models > Energy，点击弹出菜单项On开启能量方程

• 鼠标双击模型树节点Models > Viscous，弹出的模型设置对话框中选择Realizable k-epsilon湍流模型，选择选项Enhanced Wall Treatment及Thermal Effects，如下图所示

2.4 Material设置

管内压力7.02MPa，利用REFPROP计算介质液相与汽相的物性参数，包括密度、比热、热导率、粘度、标准状态焓等。

• 启动REFPROP软件
• 选择菜单Substance → Pure Fluid(Single Compounds) 打开材料介质选择对话框

• 如下图所示选择介质water

• 点击菜单Options → Properties 打开属性选择对话框

• 如下图所示挑选需要显示的物性参数，如密度、焓值、汽化热、热导率、粘度等

• 点击菜单Calculate → Saturation Tables打开设置对话框

• 选择变量为Pressure

• 如下图所示指定压力为7.02 MPa ，点击OK按钮进行计算

• 计算得到的物性参数如下图所示

可以得到7.02 MPa条件下饱和温度为559.17 K。

将其整理成表，如下表所示。

• 液相参数：

• 汽相参数：

汽化潜热1503.7 kJ/kg（汽化潜热=气相焓值-液相焓值，REFPROP中可以直接得到）。Fluent中要求输入标准状态焓，其值等于汽化潜热与分子量的乘积。在设置材料参数的过程中，为简单起见，可将液相标准状态焓设置为零 ，将气相标准状态焓设置为汽化潜热与分子量的乘积，注意单位换算。本案例其值为。

从材料库中添加材料water及water-vapor，并修改其材料参数

• 添加材料后的模型树节点如下图所示

• 如下图所示修改water_liquid材料参pi数

• 如下图所示修改水蒸气的材料属性参数

注：参数标准状态焓很重要，直接影响到相变量。

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2.5 Phase设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > Primary Phase，弹出对话框中设置water-liquid为主相，并修改名称为liquid

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > Secondary Phase，弹出对话框中设置water-vapor为主相，并修改名称为vapor，设置Diameter为boiling-dia

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase >Phase Interactions，弹出对话框中进入Forces标签页，如下图所示进行设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase >Phase Interactions，弹出对话框中进入Mass标签页，如下图所示进行设置

• 点击Eidt… 按钮进入沸腾模型设置对话框，如下图所示进行参数设置

2.6 边界条件指定

1、mass-flow-inlet-7

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7，弹出对话框中如下图所示设置湍流条件

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7> liquid，如下图所示设置入口速度

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7 > liquid，切换至Thermal标签页，如下图所示设置液相温度为555 K

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7 > vapor，弹出对话框中如下图所示设置入口气相质量通量为0

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7 > vapor，切换至Thermal标签页，如下图所示设置温度为559 k

2、pressure-outlet-4

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > pressure-outlet-4，弹出对话框中如下图所示设置参数

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > pressure-outlet-4> liquid，如下图所示设置出口液相参数

• 切换至Thermal标签页，设置温度为559 k

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > pressure-outlet-4 > vapor，如下图所示设置出口气相温度

3、wall

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall，如下图所示，设置壁面热流为797000 w/m2

2.7 Methods设置

• 双击模型树节点Methods，如下图㪢及

• 进入Methods节点，如下图所示进行设置

2.8 Controls设置

• 鼠标双击模型树节点Controls，右侧面板如下图所示采用参数设置

2.3 Monitor设置

• 如下图所示禁用残差作为收敛标准

注：这里需要计算足够多的步数才行，干脆不看残差了。

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2.9 初始化计算

• 鼠标右键选择模型树节点Initialization，点击弹出菜单项Initialize开始初始化

2.10 进行计算

• 双击模型树节点Run Calculation，右侧面板设置Number of Iterations为6000，点击按钮Calculate开始计算

3 计算结果

• 中间某段气相分布

模型长宽比太大，不便于观察，这里取中间一段来观察气相分布。

• 壁面温度分布与实验数据^[1]比较

计算误差还是有点儿大，沸腾模型中有一大堆参数需要调整，有兴趣可以自行调整。

相关文件下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1fxGlh7_3qI6qUJhUtAN7tA 提取码：tiom

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参考文献