蒸发和冷凝求解过程

热限制打开

低于饱和温度（也称为沸腾温度）时，通过以下方式控制蒸发率和冷凝率：

• 流体动力效应 - 朝向或远离表面传递蒸汽，此过程将以有限速率发生。

• 热效应 - 朝向或远离交界面传热，借此平衡汽化潜热。

Simcenter STAR-CCM+ 尝试满足 Eqn. (2793)，其中 ${\dot{Q}}_v$ 由 Eqn. (2794) 给出，后者又依赖于 Eqn. (2792)，而该方程需要 Eqn. (2774)。尽管表面看起来很复杂，但此条件只是为了得出交界面温度 $T_s$ ，从而满足Eqn. (2793)。

可通过以下任一条件（或两个条件同时）检测到的饱和度：

其中， $Y$ 为质量分数。

第一个条件 (Eqn. (2796)) 规定交界面温度已达到沸腾温度。第二个条件 (Eqn. (2797)) 规定，仅当纯蒸汽（不存在不可凝气体）的温度为饱和温度时，纯蒸汽才能在交界面处达到准稳态平衡。如果检测到其中任一条件，则上述流体动力学过程将中断，且交界面温度设为 $T_{sat}$ 。

热限制关闭

如果没有热限制，将仅通过考虑流体动力学效应，根据质量通量注意事项单独计算蒸发率。假设可以朝向或远离交界面传输必要的热通量。Simcenter STAR-CCM+ 首先求解总蒸发率 Eqn. (2774)，随后求解组分冷凝率 Eqn. (2792)。

热平衡的最终应用

一旦找到 $T_s$ （对于流体动力限制条件，低于沸腾温度；或者对于热限制条件，正好达到沸腾温度），Simcenter STAR-CCM+将使用以下步骤完成计算：

1. 通过强制执行Eqn. (2793)的热平衡计算 ${\dot{Q}}_v$ 。

2. 使用Eqn. (2795)计算 ${\dot{m}}_v$ 。

3. 使用Eqn. (2792)计算 ${\dot{m}}_{v,i}$ 。

请注意，如果 $T_s<T_{sat}$ ，则不必执行最后几个步骤：它们与在迭代过程中计算得出的物理量完全一致，因此已经可以使用。但是，最后这几个步骤表明，一旦找到 $T_s$ ，即可通过完全相同的方式计算非饱和与饱和状态的蒸发率。

干燥壁面蒸汽冷凝

如果完全干燥的冷壁与纯蒸汽接触（例如，在模拟开始时），上述方法会出问题。

液膜中的热传递系数通常由以下公式给定：

因此，以下近似（基于分段线性温度分布假设）有效：

其中， $T_{f,c}$ 为网格单元中心处的膜液温度。对于消隐液膜厚度和 $T_s>T_{f,c}$ ，Eqn. (2799)趋于无穷大，这表示当液膜厚度为零时，将无限快速地朝向壁面传热。在饱和条件下，热限制模型（此处假设）可有效地预测无限冷凝率，这将导致模拟发散。（实际上，Simcenter STAR-CCM+ 计算得出的热传递系数不会趋于无穷大，因为使用了特定的最小厚度（目前为 10^-8m）。但是，计算的值仍然极高。）

干燥壁面冷凝不以平面薄膜的形式发生，而是随着液滴在核处增长来实现。这些液滴的增长受到表面张力效应的限制，蒸汽与液体之间的交界面接触面积小，因此这些液滴很可能会在冷凝初期成为限制因素。

要实施行为与纯流体动力限制模型相同的模型（即，将冷凝建模为完全湿润的液膜）并且保持稳定，使用简化的滴状冷凝法。该模型仅影响交界面面积。

假设液膜网格单元的面积为 $A$ ，厚度为 $h$ 。假设成核密度为 $N$ (m^-2)，最小核半径为 $R_{\min }$ 。进一步假设液滴形成 90 度接触角，并且所有液滴完全相同且半径为 $R$ 。对于给定的液膜厚度，液滴（假设为半球体）的半径可以表示如下：

假设蒸发率（如前计算）仍然有效，且唯一的效应是由于蒸汽与液膜之间的总交界面面积比较小而导致。此比率可以描述为：

$R_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}$ 计算为 $\max (R,R_{\min })$ ，其中， $R$ 通过 Eqn. (2800) 确定， $R_{\min }$ 是指定为蒸发和冷凝模型属性的核最小半径。

此表达式相当于 $N^{1/3}{h}^{2/3}$ 。如果因子 $f_A$ 小于 1，则用作蒸发率的乘数。值 $N$ 指定为蒸发和冷凝模型的成核密度属性。有关更多信息，请参见蒸发-冷凝模型属性。

此模型可稳定求解而不影响长期结果，即完全湿润的液膜形成并增长后。