本案例演示在Fluent中利用UDF添加质量源项及能量源项的方式模拟水沸腾。

注：本算例来自Fluent官方老案例，仅为演示源项法模拟水沸腾。在早期版本的Fluent中没有现成的蒸发冷凝模型，需要借助UDF指定质量源与能量源来模拟沸腾现象。在较新的Fluent版本中已经内置了蒸发冷凝模型，本算例中的UDF等同于Fluent中内置的Lee模型。本案例的UDF也可以经过修改用于更复杂的沸腾现象模拟。

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1 问题描述

计算模型如下图所示。

计算区域内介质为液态水，初始温度372 K，两侧面为绝热壁面。容器底部中心区域为高温T=573 K。

2 Fluent设置

• 以2D、Double Precision方式启动Fluent
• 利用菜单File → Read → Mesh…读取网格文件boil.msh

2.1 General设置

• 选择Transient，指定重力加速度为Y方向-9.81 m/s2

2.2 Models设置

• 激活能量方程

• 采用层流计算

• 采用Mixture多相流模型，激活选项Implicit Body Force

2.3 Materials设置

• 添加水与水蒸气

• 按下图所示修改水蒸气材料参数

注：本算例利用UDF指定传质与传热，因此标准状态焓与参考温度可以随便设置，不参与计算。

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• 添加液态水，按下图所示指定参数

2.4 设置多相流模型

• 指定多相流模型主相为water-liquid

• 指定次相为vapor，设置Diameter为0.0002 m

• 相间作用如下图所示，不需要设置传质与传热

2.5 解释UDF

• 右键选择模型树节点User Defined Functions，点击弹出菜单项Interpreted...打开UDF解释对话框

• 在打开的对话框中添加源文件source.c，点击按钮Interpret解释源代码

2.6 设置计算区域

• 设置流体计算区域fluid，选择Phase为mixture，激活选项Source Terms，点击Energy后的按钮Edit...编辑能量源

• 指定能量源为udf enrg_src，点击OK按钮关闭对话框

• 设置Phase为liquid，如下图所示设置Mass后方的Edit... 按钮添加质量源

• 设置液相质量源为udf liq_src

• 增加气相质量源

• 设置气相质量源为udf vap_src

2.7 边界条件设置

• 设置出口边界poutlet的出口静压为0 Pa

• 指定出口回流温度为372 K

• 指定出口气相回流体积分数为0

• 指定边界wall-hot的温度为573 K

2.8 Methods设置

• 计算方法设置

2.9 标记区域

• 右键选择模型树节点Cell Registers，点击弹出菜单项New → Boundary…打开设置对话框

• 如下图所示标记边界区域wall-hot相邻的第一层网格

2.10 初始化

• 全局初始化

• 将标记的网格区域温度初始化为373.15 K

2.11 开始计算

• 指定时间步长0.005 s，时间步数为1000，进行计算

2.12 计算结果

• 计算结果如下图所示

3 UDF程序简解

这个UDF还是比较简单的，主要包含两个质量源与一个能量源。计算公式采用的是Lee模型。

UDF程序如下所示。

#include "udf.h"
#include "sg_mphase.h"
#define T_SAT 373.15   //饱和温度373.15 K
#define LAT_HT 1.e3 //汽化潜热1000 J/kg
 
// 液相质量源项
DEFINE_SOURCE(liq_src, cell, pri_th, dS, eqn)
{
  Thread *mix_th, *sec_th;
  real m_dot_l;
 
  // mix_th存储主相的Thread指针；sec_th存储次相指针，注意ID
  mix_th = THREAD_SUPER_THREAD(pri_th);
  sec_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 1);
 
  // 温度大于饱和温度，表示为蒸发
  if (C_T(cell, mix_th) >= T_SAT)
  {
    //计算蒸发量，注意液相质量流量为负值，0.1为coeff值
    m_dot_l = -0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) *
              fabs(C_T(cell, pri_th) - T_SAT) / T_SAT;
    //对体积分数求导
    dS[eqn] = -0.1 * C_R(cell, pri_th) *
              fabs(C_T(cell, pri_th) - T_SAT) / T_SAT;
  }
  else
  {
    //计算冷凝量，液相质量分数为正值
    m_dot_l = 0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) *
              fabs(T_SAT - C_T(cell, mix_th)) / T_SAT;
    //若对体积分数求导得到的值为正，干脆直接赋零值
    dS[eqn] = 0.;
  } 
  return m_dot_l;
}
 
// 气相质量源项，解释同上
DEFINE_SOURCE(vap_src, cell, sec_th, dS, eqn)
{
  Thread *mix_th, *pri_th;
  real m_dot_v;
 
  mix_th = THREAD_SUPER_THREAD(sec_th);
  pri_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 0);
 
  if (C_T(cell, mix_th) >= T_SAT)
  {
    m_dot_v = 0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) *
              fabs(C_T(cell, mix_th) - T_SAT) / T_SAT;
    dS[eqn] = 0.;
  }
  else
  {
    m_dot_v = -0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) *
              fabs(T_SAT - C_T(cell, mix_th)) / T_SAT;
 
    dS[eqn] = -0.1 * C_R(cell, sec_th) *
              fabs(C_T(cell, sec_th) - T_SAT) / T_SAT;
  }
 
  return m_dot_v;
}
 
//混合相的能量源项
DEFINE_SOURCE(enrg_src, cell, mix_th, dS, eqn)
{
  Thread *pri_th, *sec_th;
  real m_dot;
  pri_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 0);
  sec_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 1);
 
  if (C_T(cell, mix_th) >= T_SAT)
  {
    // 得到蒸发量，Lee模型
    m_dot = -0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) *
            fabs(C_T(cell, pri_th) - T_SAT) / T_SAT;
 
    //对温度求导，若为负则保留，否则赋值零
    dS[eqn] = -0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) / T_SAT;
  }
  else
  {
    //得到冷凝量
    m_dot = 0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) *
            fabs(T_SAT - C_T(cell, mix_th)) / T_SAT;
 
    dS[eqn] = -0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) / T_SAT;
  }
    
  // 返回热量值，利用潜热与质量流量的乘积得到
  return LAT_HT * m_dot;
}

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