沸腾

Simcenter STAR-CCM+ 的欧拉多相流框架中的壁面沸腾和总体沸腾模型适用于强制对流、过冷和沸腾应用。

在过冷沸腾中，加热表面上会发生局部沸腾，尽管液体的平均温度小于饱和温度。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，接近脱离泡核沸腾 (DNB) 条件。

成功的壁面沸腾模型可预测壁面过热量（即壁面温度超过饱和温度的量）以及蒸汽的轴向和径向分布。出于以下原因，可使用欧拉多相流框架对这种壁面沸腾过程进行建模：

基于定义，过冷沸腾中的各相不处于热平衡，且每个相都需要其自己的能量方程。
当气泡远离沸腾表面而冷液体取而代之时，过冷沸腾中的各相需要其自己的运动方程。
总体过冷液体中的蒸汽冷凝率是壁面沸腾过程的一部分，用于确定壁面上净蒸汽生成的首次开始时间以及此时间点上蒸汽在下游的分布方式。
这两个非平衡流体特征实际会与使用平衡模型的预测有所不同。

总体沸腾

Simcenter STAR-CCM+ 中的总体沸腾模型是过冷沸腾的基本部分。如果相间质量传递率仅取决于以下因素，则需要对流体内部的沸腾和冷凝进行建模：

从液体和蒸汽到这两相之间的饱和交界面的传热率。
按尺寸和数密度明确描述气泡可得出交界面面积密度。

这意味着，总体沸腾模型适用于对具有以下初始尺寸和浓度的蒸汽气泡建模：

初始尺寸和浓度称为入口条件（或瞬态模拟情况下的初始条件）
通过尺寸分布模型（如 S-gamma 或 AMUSIG）估计
由壁面沸腾模型生成。

此热驱动模型不适用于描述既没有气泡（均相成核）、蒸发（浓度驱动的多组分质量传递），也没有空化（惯性受限的质量传递）的沸腾。如果生成的相间质量传递率出现在比流动时间尺度短得多的时间尺度上，则此热驱动模型也不适用。可能无法使用分离求解器算法解决此情景。

壁面沸腾

在沸腾起始 (IB) 点处，壁面上开始出现小气泡。在此示例中，随着液体升温，空隙率从净蒸汽生成 (NVG) 点开始增加，因此沸腾起始的下游过冷程度变小。在净蒸汽生成点下游，空隙率快速增长。气泡从壁面分离并移动到过冷液体中。部分气泡会在过冷液体中冷凝，从而增强对液体的热传递。再往下游，大量液体达到饱和温度，饱和沸腾开始。

根据不同类型的热传递，壁面沸腾过程可以分为三个阶段，如下图所示。深蓝色线显示的是用于跨蒸汽/液体（气泡）和固体/液体交界面进行热传递的表面。

每种类型的热传递计算方法如下所示：

蒸发 – 壁面的热传递建模首先会预估成核密度。此值可以根据与壁面相邻的流体中的过热量确定单位面积的气泡数。此数密度与气泡脱离频率以及气泡脱离直径一起用于跨成核点对蒸发热通量进行建模。
淬火 – 在浮力导致气泡离开表面时发生，液体将填充气泡占据的空间，从而增强热传递。可使用淬火热传递系数对生成的热通量进行建模。在其上方进行淬火的面积是气泡影响壁面面积分数。
对流加热 – 气泡脱离并朝远离壁面的方向移动后，剩余区域可用于进行对流热传递。壁面干燥面积分数指定传递到液相的对流热量以及传递到蒸汽相的对流热量。

相较于单相强制对流，蒸发和淬火机制可支持更高的传热率。