fluent中的沸騰模型（1）-RPI模型
2020年7月6日 13:26瀏覽：3503 評論：10
“過冷沸騰”是用來描述這樣一種物理情況:即使液體的體積平均溫度小于飽和值，但壁溫高到足以導(dǎo)致壁上發(fā)生沸騰。在這種情況下，能量直接從壁面?zhèn)鬟f到液體。這些能量的一部分會使液體的溫度升高，另一部分會產(chǎn)生蒸汽。相間傳熱也會導(dǎo)致液體平均溫度升高,而飽和蒸汽冷凝。此外，一些能量可以直接從壁面轉(zhuǎn)移到蒸汽中。這些基本機(jī)制是所謂的倫斯勒理工學(xué)院(RPI)模型的基礎(chǔ)。
在ANSYS
Fluent中，在歐拉多相模型的基礎(chǔ)上建立了壁面沸騰模型。多相流動由相連續(xù)性守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程控制。采用 Kurual 和 Podowski 的RPI形核沸騰模型和Lavieville等人的擴(kuò)展式對壁面沸騰現(xiàn)象進(jìn)行了建模。該壁面沸騰模型適用于三種不同的壁面邊界:等溫壁面、指定熱流和指定傳熱系數(shù)(耦合壁面邊界)。
如下面所描述的，已經(jīng)考慮了動量、質(zhì)量和熱量的界面?zhèn)鬟f以及沸騰流中的湍流模型。
根據(jù)RPI基本模型，將壁面到液體的總熱流分為對流熱流、淬火熱流和蒸發(fā)熱流三部分:
被加熱的壁面細(xì)分為被成核氣泡覆蓋的區(qū)域A_b和被流體覆蓋的部分1-A_b。
式中，h_c為單相傳熱系數(shù)，T_w和T_l分別為壁面溫度和流體溫度。
淬火熱流q_Q模擬了氣泡脫離后液體填充壁面附近循環(huán)平均瞬態(tài)能量傳遞，表示為
其中k_l為導(dǎo)熱系數(shù)，T為周期時間，λ_l為擴(kuò)散率。
其中V_d是基于氣泡分離直徑的氣泡體積，N_w為成核位置密度，ρ_v是蒸汽密度，h_fv是蒸發(fā)潛熱，f為氣泡離開頻率。這些方程需要對以下參數(shù)進(jìn)行封閉:
注意，為了避免由于無約束的核部位密度的經(jīng)驗相關(guān)性而導(dǎo)致的數(shù)值不穩(wěn)定，影響區(qū)域必須受到限制。影響面積的極限如下:
經(jīng)驗常數(shù)K的值通常被設(shè)為4，但是人們發(fā)現(xiàn)這個值并不普遍，可能在1.8到5之間變化。根據(jù)Del Valle和Kenning的研究，這個常數(shù)有如下關(guān)系:
Ja_sub為過冷Jacob數(shù)，定義為:
RPI模型的實現(xiàn)通常使用氣泡離開頻率作為基于慣性控制生長的頻率(實際上并不真正適用于過冷沸騰)。
成核位置密度通常由基于壁面過熱的相關(guān)性表示。一般的表達(dá)形式如下：
這里使用了來自Lemmert和Chawla的經(jīng)驗參數(shù)，n=1.805,c=210. 還有其他公式，如Kocamustafaogullari和Ishii
其中D_w為氣泡分離直徑，密度函數(shù)定義為
RPI模型的默認(rèn)氣泡分離直徑基于經(jīng)驗相關(guān)，以米為單位計算
而Kocamustafaogullari和Ishii使用
根據(jù)Unal關(guān)系計算出以毫米為單位的氣泡分離直徑為
P是流動壓力，ΔT_sub=T_w-T_sat是壁面過熱度，h_lv是潛熱，U_b是近壁體積速度，U_b=0.61m/s，下標(biāo)s、l和g分別表示固體物質(zhì)、液體和汽相。
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