在氣液二相流仿真中，有時會遇到對沸騰流作模擬。近年來，由于所使用電腦的飛速發(fā)展，有關(guān)混相流課題的流體解析模擬問題差不多都得以解決。即便如此，仍有一些復(fù)雜的混相流現(xiàn)象難以進行模擬。其中之一就是沸騰流。沸騰流雖然在熱交換器，冷卻系統(tǒng)等許多工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，但其流動方式會隨液體與傳熱表面的溫度差等因素而發(fā)生變化，是一種復(fù)雜的流動。如果從微觀尺度來著手處理沸騰流問題，就必須對傳熱表面氣泡核的生成，及其隨后的發(fā)展，脫離等過程一一建立模型，目前尚缺乏普遍適用的模擬方法。因此，只能從宏觀途徑來加以考慮。

圖21.1中展示的是，通過自由表面流仿真中的VOF法來模擬沸騰流，對蒸發(fā)和冷凝（液化）這樣的相變化過程，用F值（即流體體積率）的增減來加以表示，從而建立模型。同時，還考慮潛熱的吸收和釋放，以及因氣液態(tài)密度差引起的體積的增減。上述諸量的變化，在局部區(qū)域取得平衡。在此假定的前提下，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Lee于1980年提出了有關(guān)蒸發(fā)和冷凝的一系列基礎(chǔ)方程式，從而建立起一個完整的模型。圖21.2就是Lee建立的模型，各個流體單元內(nèi)的液體溫度若高于飽和溫度（即沸點）就蒸發(fā)，反之就液化。從這一假定出發(fā)，根據(jù)液體溫度與飽和溫度之間的差，同時考慮氣體與液體密度的不同，從而計算出相變化量的大小。

圖21.1 沸騰流的建模

圖21.2 Lee建立的模型

 接下來，打算介紹這一章的模擬實例。作為第一個實例，首先來看一下圖21.3。在一個注了水的方形容器的底部加熱，我們來模擬從液相到氣相的相變化過程。圖中展示了VOF值為0.5的等值面。容器底部被加熱，產(chǎn)生了氣相（即氣泡），由于浮力的作用，氣泡徐徐上升，整個過程歷歷在目。

圖21.3 模擬實例之一：在容器底部加熱

 另外，在氣相和液相之間的產(chǎn)生相變化時，物質(zhì)的密度也隨之發(fā)生變化。一般說來，氣相的密度要比液相的小。在一個封閉的空間里，如果發(fā)生液相到氣相的相變化，其內(nèi)部的壓力就會隨之增大。作為封閉空間的一個仿真實例，我們將嘗試對圖21.4所示的咖啡虹吸壺進行模擬。與上例中一樣，對容器底部加熱。真實的咖啡虹吸壺的容器內(nèi)同時混有空氣和水蒸氣，模擬時假定其中只有水蒸氣。

 在模擬過程中可內(nèi)以看到，下面的容器里產(chǎn)生氣泡，同時通過正中細管的水不斷上升。其原理可以這樣來考慮。下面的容器是一個封閉的空間，由于水的蒸發(fā)使其內(nèi)部壓力增大，從而把下面容器里的水通過細管往上推壓（左圖里，中途界面的顏色改換成咖啡的顏色）。

圖21.4 虹吸式咖啡壺（左圖：VOF值為0.5的等值面; 右圖：壓力分布）

 作為最后介紹的一個仿真實例，一起來看一個有流動的模型，即熱管中的流動。在板狀的固體上面安裝著管徑為3毫米的熱管，固體下面加熱，通過這樣一個模型來模擬熱管中的相變化。在熱管內(nèi)，水從近身這一側(cè)的進水口以0.1 m/s的流速流入，從遠側(cè)的出水口流出。對板體逐步加熱，可以看到，從熱管的下部開始有氣相發(fā)生，并隨著水流一起流動。如果進一步作持續(xù)加熱，氣相部份就變得越來越大，最后幾乎占據(jù)了管道內(nèi)所有的空間。

圖21.5 熱管的模擬實例：溫度分布云圖

來源：MSC軟件