壁面沸腾

混合多相 (MMP) 的壁面沸腾模型旨在用于强制流动的过冷沸腾应用。在过冷沸腾中，尽管液体的平均温度低于饱和温度，加热表面上依然会发生局部沸腾。液体过冷的程度以低于饱和值的温度差或焓差表示。

只要近壁流态保持在气泡流附近，就可以促使标准过冷沸腾模型达到零过冷条件（即，饱和沸腾）。还可以促使该模型达到更高的热通量，接近脱离成核沸腾 (DNB) 条件。混合物与壁面接触，液体和蒸汽的对流热通量集总在一起。

此处使用 Kurul 和 Podowski 的过冷沸腾模型[494]。该模型假设壁面的所有热通量都会传递到近壁液体，然后划分为三个组分。热通量采用 ${{\dot{q}}^{"}}_w$ 符号，壁面热通量的分区可写为：

以下为这些热通量分量的描述：

• ${{\dot{q}}^{"}}_{conv}$ 为给定的对流热通量，用于描述 MMP 混合物对流散热。对于 MMP 壁面沸腾模型，存在一种来自蒸汽和液体的对流作用，混合物始终与壁面接触。此项由能量模型处理。
• ${{\dot{q}}^{"}}_{evap}$ 为由 Eqn. (2918) 给出的蒸发热通量，用于描述生成从成核到脱离的气泡的功率。此过程由壁面过热 $T_w-T_{sat}$ 驱动。在固定热通量应用中，开始沸腾后，此项负责保持壁面温度稍微高于饱和温度。
• ${{\dot{q}}^{"}}_{quench}$ 为由 Eqn. (2920) 给出的淬火热通量，用于描述因远离壁面的较冷液体流入替换脱离气泡而导致的热传递增强。此过程以壁面与近壁液体之间的温度差为主。在文献中，气泡引发的淬火也称为液体搅拌或抽吸。当液体温度接近饱和温度时，淬火不太重要，但是在高度过冷流体 $T_l«T_{sat}$ 中，淬火会做出重要贡献。

蒸汽贡献

过冷沸腾模型假设开始时只有液相与壁面接触。但是，当壁面附近的蒸汽体积分数变得足够高时，液体接近壁面及其从壁面移除热的能力均受限。在过冷沸腾模拟中，此现象可能在从初始条件开始发展向收敛求解的各种不同中间状态中意外发生。

或者，在研究到脱离泡核沸腾 (DNB) 条件的转换时，需要考虑蒸汽贡献，因为壁面热通量会进一步增加。

当液体接近受限时，蒸汽热传递将移除部分壁面热通量，从而导致壁面温度升高。热通量可以表示为：

$${{\dot{q}}^{"}}_w={{\dot{q}}^{"}}_{conv}+{({\dot{q}}^{"}}_{evap}+{{\dot{q}}^{"}}_{quench})\left(1-K_{dry}\right)$$

(2917)

其中：

• $K_{dry}$ 为壁面烧干面积分数。

蒸发热通量

蒸发热通量针对以下成核沸腾机制而构造：

• 气泡在壁面中尺寸适当的空穴上成核和增长。
• 气泡达到临界尺寸，此时将气泡固定在壁面上的各种力不再处于平衡状态。

蒸发热通量如下：

$${{\dot{q}}^{"}}_{evap}=n″f\left(\frac{\pi d_w^3}{6}\right){\rho }_g{h}_{lg}$$

(2918)

其中：

• $n″$ 为成核密度
• $f$ 为气泡脱离频率
• $d_w$ 为气泡脱离直径
• ${\rho }_g$ 为蒸汽相密度
• $h_{lg}$ 为潜热

蒸发质量通量 ${{\dot{m}}^{"}}_{evap}$ 是单位壁面面积液体到蒸汽的转化率：

$${{\dot{m}}^{"}}_{evap}=\frac{{{\dot{q}}^{"}}_{evap}}{h_{lg}}$$

(2919)

气泡引发的淬火热通量

当气泡从壁面脱离时，它占据的空间由较冷的液体填充。根据 Del Valle 和 Kenning 的 [447] 进行的建模，淬火热传递是用于加热此填充液体的热通量的组分。

气泡引发的淬火热通量由壁面与近壁液体之间的温度差 $T_l$ 以及缓慢变化的校正因子 $s_{quench}$ 实现：

$${q″}_{quench}=h_{quench}{s}_{quench}\left(T_{wall}-T_l\right)$$

(2920)

校正因子定义如下：

$$s_{quench}=\frac{T_{wall}-T_{quench}}{T_{wall}-T_l}=\frac{T^{\text{+}}\left(y_{quench}\right)}{T^{\text{+}}\left(y_c\right)}$$

(2921)

其中：

• $h_{quench}$ 为淬火热传递系数
• $T_{wall}$ 为壁面温度
• $T_{quench}$ 为液体因气泡脱离而被送至壁面时的温度
• $T^{\text{+}}\left(y\right)$ 为通过使用液体壁面湍流尺度将壁面热通量缩放至液体而形成的无量纲温度分布。
• $y_c$ 为是从壁面到最近网格单元中心的距离。
• $y_{quench}$ 为冷液体因气泡脱离而被拉入时与壁面相距的代表距离。需要根据气泡脱离直径或液体壁面湍流尺度指定此距离。

壁面上的总体能量平衡

过冷沸腾与可能干燥的组合模型在壁面处的总体能量平衡如下所示：

$${{\dot{q}}^{"}}_w={{\dot{q}}^{"}}_{wm}+{{\dot{q}}^{"}}_{w\lg }$$

(2922)

其中：

• ${{\dot{q}}^{"}}_{wm}$ 为壁面与混合物之间的热通量：

$${{\dot{q}}^{"}}_{wm}={{\dot{q}}^{"}}_{conv}+\left(1-K_{dry}\right){{\dot{q}}^{"}}_{quench}$$

(2923)

• ${{\dot{q}}^{"}}_{w\lg }$ 为壁面与液-气交界面之间的热通量：

$${{\dot{q}}^{"}}_{w\lg }=\left(1-K_{dry}\right){{\dot{q}}^{"}}_{evap}$$

(2924)