fluent中的沸騰模型（3）-Critical Heat Flux模型
2020年7月8日 17:49瀏覽：3930 評論：13
“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，但壁溫高到足以導致壁上發生沸騰。在這種情況下，能量直接從壁面傳遞到液體。這些能量的一部分會使液體的溫度升高，另一部分會產生蒸汽。相間傳熱也會導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移到蒸汽中。這些基本機制是所謂的倫斯勒理工學院(RPI)模型的基礎。
在ANSYS
Fluent中，在歐拉多相模型的基礎上建立了壁面沸騰模型。多相流動由相連續性守恒方程、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等人的擴展式對壁面沸騰現象進行了建模。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(耦合壁面邊界)。
如下面所描述的，已經考慮了動量、質量和熱量的界面傳遞以及沸騰流中的湍流模型。
在壁面沸騰時，臨界熱流條件的特征是局部傳熱系數急劇降低和壁面溫度的偏高。隨著蒸汽含量的增加，加熱表面不再被沸騰液體濕潤，就會發生這種現象。
在臨界熱流條件下，蒸汽取代液體，占據加熱壁附近的空間。因此，能量直接從壁面轉移到蒸汽中。反過來，它會導致換熱能力迅速下降，蒸汽溫度急劇上升，最重要的是壁溫升高。此外，壁面沸騰與核態沸騰區分離，多相流動由泡狀流動變為霧狀流動。
為了建立臨界熱流條件的模型，
ANSYS Fluent采用的基本方法是將RPI模型從核態沸騰狀態擴展到臨界熱流和燒干后的工況，同時考慮以下因素:
除函數定義外，壁面體熱分區的定義與方程17-426相同。這里，函數f（α1）依賴于局部液體/蒸汽體積分數，其極限值與液體體積分數相同，即在0到1之間。Lavieville等人提出了如下表達式:
液相體積分數的臨界值為0.2，氣相體積分數的臨界值為0.8。
還有其他一些函數可用來定義壁面體熱流分區。在定義壁面沸騰狀態時，Tentner等根據蒸汽體積分數提出如下表達式:
考慮到壁面熱流劃分中薄膜沸騰的情況，Ioilev等利用線性函數將方程17-431推廣到臨界熱流條件:
其中斷點設置為α_v1=0.9和α_v2=0.95。
在ANSYS Fluent中，選取公式17-431作為壁面體熱流劃分的默認公式。
當壁面沸騰脫離核態沸騰狀態，達到臨界熱流和干燥后狀態時，多相流由泡狀流動變為霧狀流動。因此，在泡狀流動狀態下，液相從連續相轉變為分散相，氣相從原來的分散相轉變為連續相。隨著流態的轉變，界面面積、動量傳遞項(阻力、升力、湍流彌散、界面面積等)、傳熱和湍流量都會發生相應的變化。
為了模擬流型的變化和計算界面的遷移，傳統上采用基于截面平均流動參數的所謂流型圖，用于子通道一維熱工代碼。在CFD求解器中，流型圖的概念已經擴展為局部的、基于單元的界面表面拓撲，以從局部流動參數來評估流型轉變。將所有計算單元與它們通常簡單的局部界面表面拓撲集成在一起，可以提供復雜的全局拓撲來表示不同的流態，就像傳統的子通道流態圖一樣。
作為第一步，該實現采用簡單的局部界面表面拓撲來控制從連續的液泡流平穩過渡到連續的汽滴流構型。它假設在計算單元內，局部界面表面拓撲結構包含多個連接的界面，流動狀態由單一的局部流量-蒸汽體積分數α_v決定:
氣泡流拓撲:氣相以氣泡的形式分散在連續液體中，通常α_v<=0.3
霧流拓撲:液相以液滴的形式分散在連續的蒸汽中，通常α_v>=0.7
攪拌流:這是氣泡流和霧流拓撲之間的一個中間拓撲，通常0.3<α_v<0.7
界面拓撲用于計算界面面積和界面動量和熱量的傳遞。引入φ表示界面量(界面面積、阻力、升力、湍流漂移力和換熱)，則采用以下一般形式計算:
這里f（α_v）是用方程17-431或方程17-432計算的，但斷點的上下限不同。通常使用0.3和0.7的值，φ_bubbly和φ_droplet分別是氣泡流和霧流的界面量。采用在界面動量傳遞和界面傳熱中提出的界面子模型進行計算。
值得注意的是，在沸騰模型中，液體通常被定義為第一相，蒸汽被定義為第二相。一旦定義了這一點，它將保持不變的流型轉變。當φ_bubbly和φ_droplet被計算時，主相和次相被交換。對于φ_bubbly，液體被視為第一相，而蒸汽是第二相。與此相反，對于φ_droplet，蒸汽成為第一相，液體是第二相。
界面動量傳遞包括五個部分:阻力、升力、壁面潤滑、湍流漂移力和虛質量. 每種影響都有各種各樣的模型，其中一些是專門為沸騰流制定的。此外，還可以使用用戶定義的選項。
界面面積可以用輸運方程或界面面積濃度中描述的代數模型來計算。對于沸騰流，通常選用代數公式。
在默認情況下，Fluent使用下面的氣泡直徑模型作為局部過冷的函數ΔT_sub=T_sat-T_l
另一種情況下，氣泡直徑D_d可以通過線性相關得到:
要使用方程17-435的Unal相關性，可以使用以下scheme命令:
要返回到默認公式17-434，可以使用scheme命令:
當流態轉變為霧流時，霧滴直徑可以假設為常數或由Kataoka-Ishii相關估計:
C_ds=0.28
J_v為蒸汽體積通量(表面速度)
Re_l是局部液體雷諾數
Re_v是局部蒸汽雷諾數
μ_l為液體粘度
μ_v為蒸汽粘度
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