沸騰的案例
響水不開，開水不響：過冷沸騰與飽和沸騰
這種沸騰工況叫做過冷沸騰（subcooled boiling，圖2），也叫做欠熱沸騰，所謂“欠熱”，就是指大部分液體的溫度仍然低于飽和溫度。視頻1里面將近沸騰的水正是處于這種沸騰工況，因此發出的聲音比較刺耳。
圖2 過冷沸騰（圖片來自[3]）
隨著加熱繼續進行，水壺里面的水溫繼續上升，由于對流的作用，壁面附近的較熱的水會把熱量傳給上面的較冷的水，終于水壺里面的水全部都達到飽和溫度。這時，從底部壁面上升的氣泡不再坍縮，而是一直上升到水面并逸出到空氣中。這種沸騰工況叫做飽和沸騰（saturated boiling，圖3）。由于沒有氣泡坍縮的過程，所以也就不再有刺耳的聲音。
圖3 飽和沸騰（圖片來自[3]）
展開 專家講堂│煉油結構轉型下沸騰床加氫技術
當前，煉油廠正處于“煉油型”向“化工型”轉型的關鍵時期，并且煉油企業呈現“集成化和規模化”的趨勢，無論是新建煉油廠還是現有煉油廠升級改造，沸騰床加氫技術將在煉油結構轉型中扮演重要角色，這主要得益于沸騰床加氫技術具有原料適應性強、加工模式廣和裝置運作周期長等特點。
目前國外針對H-Oil和LC-Fining沸騰床加氫技術開展了大量的研究工作，主要集中在渣油高轉化率下雜質脫除規律、沸騰床裝置的長周期運行等方面，而鮮有對沸騰床加氫技術與其他技術有效耦合來針對不同應用場景的研究。以下從反應器結構和催化劑角度詳細闡述STRONG沸騰床加氫技術的特點及應用場景，對現有50kt/a沸騰床工業示范裝置和500kt/a工業裝置運行情況進行介紹，并針對最新開發的沸騰床-固定床（沸-固）復合床技術，分別從工藝流程和中試運行情況進行詳細說明。
STRONG沸騰床加氫技術
01
技術優點
●自持流化反應器
國外沸騰床反應器采用高溫高壓沸騰泵來促進催化劑床層膨脹，進而控制催化劑料面的高度；催化劑料面通過放射性料位計來檢測，為防止床層進入快速流化狀態進而導致顆粒夾帶，反應器內催化劑料面高度低于循環杯位置，因此帶有沸騰泵的沸騰床反應器內部分為兩個反應區。在催化劑床層以內，由于有催化劑的存在，因而渣油加氫為熱裂化和催化反應；在循環杯上方和循環管內部，由于沒有催化劑存在，因而主要進行熱裂化反應。故國外沸騰床實際為膨脹床，催化劑只是填充反應器中的一部分，未能完全利用整個反應器空間。
展開 fluent中的沸騰模型（3）-Critical Heat Flux模型
“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。
01—
Critical Heat Flux
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。
展開 fluent中的沸騰模型（2）-Non-equilibrium Subcooled Boiling
“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。
01—
Non-equilibrium Subcooled Boiling
當使用基本RPI模型時，蒸汽的溫度不計算，而是固定在飽和溫度。為了模擬從核態沸騰狀態(DNB)開始的沸騰，或者模擬臨界熱流量和干燥后的條件，必須包括過程中的蒸汽溫度。
展開 
基于VirtualFlow的壁面過冷沸騰數值模擬及結果對比
壁面過冷沸騰是在特定的熱力學條件下，發生在固體壁面附近的沸騰現象。在核反應堆運行過程中，壁面過冷沸騰通常出現在熱流密度較高、熱流體與壁面之間的傳熱溫差較大的區域。壁面過冷沸騰的發生會導致壁面附近流體溫度驟降，產生大量汽泡。這些汽泡可能會迅速成長并逸出到主流流體中，從而導致流體的熱力學狀態和流動特性發生顯著變化。這些變化可能會對反應堆的運行產生重要影響。
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壁面沸騰物理現象及不同流型
為了確保核反應堆的安全和高效運行，在反應堆設計和運行過程中，需要對壁面過冷沸騰進行充分的評估和控制，以避免其對反應堆性能和安全產生不利影響。
均勻加熱的平面壁與垂直流接觸的沸騰現象
本算例使用流體仿真軟件VirtualFlow對流經管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程進行模擬，與DEBORA試驗數據及NEPTUNE_CFD、ANSYS CFX模擬結果進行對比，驗證VirtualFlow軟件模擬計算壁面沸騰的可靠性。
模型介紹
該算例模擬了DEBORA試驗（參考文獻[1]）的過冷沸騰現象。
流經管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程模型如圖1所示：進入垂直管道的湍流，直徑為0.0192米；流體從底部進入，其中入口段（1m）為絕熱；流體在流出絕熱出口段（0.5m）之前，將壁面熱通量邊界條件施加到管道中間的3.5m部分。
展開 【技術貼】AVL FIRE? M：從噴嘴內流到發動機缸內過程——考慮多組分燃料閃急沸騰的完整仿真分析方案
圖1為阿貢國家實驗室（ANL）的研究成果，展示了試驗和AVL FIRE M仿真結果之間的對比，所示為異辛烷在閃急沸騰條件下造成的噴嘴頭部濕壁現象。AVL FIRE M的仿真結果與試驗結果高度一致，這些結果在ECN被廣泛接受。
圖1：異辛烷燃料在閃急沸騰條件下造成的噴嘴頭部濕壁現象：AVL FIRE M仿真結果與ANL試驗結果對比
1
直噴汽油機中的多組分燃料噴射策略
為了不斷追求內燃機效率的提升和污染物排放的減少，需要詳細了解發動機系統中每個階段的流體流動情況，包括燃料類型、燃料噴射過程、氣液相互作用、以及隨后的燃油蒸汽分布、混合、燃燒和污染物產生過程。當前GDI發動機的策略是高溫條件下噴射多組分燃料（或者替代燃料）。這種情況下將引起燃料的閃急沸騰，從而實現液體燃料更快的破碎速度，較小的噴霧貫穿距和較大的噴霧錐角。這將影響發動機的燃燒質量、改變CO2、NOx和Soot的排放水平，影響發動機的效率。圖2為閃急沸騰噴霧的示意圖，展示了閃急沸騰現象在噴嘴內部以及噴霧破碎、蒸發過程中的影響。
圖2：閃急沸騰示意圖，可以看出噴嘴內部以及噴霧區域閃急沸騰現象對于噴霧霧化的影響
2
AVL FIRE? M中的多組分閃急沸騰模型
閃急沸騰現象指的是高溫液體壓力突然下降至飽和蒸氣壓，或者溫度超過飽和溫度時，由液相轉化為氣相的一種快速蒸發現象。在AVL FIRE M中，考慮了閃急沸騰發生時流體熱力學平衡狀態的變化，采用先進的Hertz Knudsen模型進行閃急沸騰傳質速率的建模。圖3展示了進行多組分多相流噴組仿真的圖形界面。模型中激活了Multiphase模塊和Species transport模塊，在species mass transfer界面，用戶需要指定發生閃急沸騰的液相組分和對應的氣相組分。
展開 螺旋管流動沸騰冷卻與空氣冷卻相結合的鋰離子電池熱管理
這種冷卻方法是通過纏繞在電池上的半螺旋管進行流動沸騰冷卻和通過電池中的氣流進行空氣冷卻的冷卻方法相結合的。使用控制體積技術進行數值模擬，用于模擬流動沸騰區域的模型是歐拉-歐拉多相模型。研究結果表明，所提出的組合冷卻方法有助于更好的電池組熱管理。由于恒定溫度下的汽化潛熱，螺旋管內發生流動沸騰有助于去除大量熱量，并且電池與沸騰流體接觸的部分的電池溫度幾乎保持恒定。沸騰流體質量通量的增加和入口空氣速度降低了電池組內電池的最高溫度。此外，通過減小沸騰流體的入口過冷度，降低了電池的溫度，并且電池組中不同排的電池之間的溫差受空氣入口速度的影響較小。研究成果以“Combination of flow boiling cooling by taking advantage of helical pipes and air cooling for thermal management of lithium-ion batteries”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
展開 用于增強相變冷卻的液體超擴散助推高性能噴射流沸騰技術
03
圖文導讀
圖1 在微/納米結構Cu表面上由超擴散促進的射流沸騰現象。
圖2 表面上不同金字塔高度的射流沸騰換熱性能。
圖3 超擴散促進的微型射流沸騰氣泡成核、生長和分離。
圖4 基于超擴散增壓射流沸騰表面的相變冷卻性能及應用。
END
★ 平臺聲明
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積鼎基于VirtualFlow的壁面過冷沸騰數值模擬及結果對比
<div contenteditable="false" width="100%"><figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202401/attachment/4f7b59532c2a4533bae4e5f2d7d421f4.png" style="text-align: center"><img src="https://img.jishulink.com/202401/attachment/4f7b59532c2a4533bae4e5f2d7d421f4.png"></figure></div><p class="ql-align-justify">壁面過冷沸騰是在特定的熱力學條件下，發生在固體壁面附近的沸騰現象。在核反應堆運行過程中，壁面過冷沸騰通常出現在熱流密度較高、熱流體與壁面之間的傳熱溫差較大的區域。壁面過冷沸騰的發生會導致壁面附近流體溫度驟降，產生大量汽泡。這些汽泡可能會迅速成長并逸出到主流流體中，從而導致流體的熱力學狀態和流動特性發生顯著變化。這些變化可能會對反應堆的運行產生重要影響。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——VOF沸騰
1、問題描述
本案例演示如何在 STAR-CCM+ 中設置沸騰問題。它模擬水流過加熱表面時沸騰的情況。水從左側邊界流入計算域（規定的速度和溫度分別為 1 m/s 和 350 K）。水從右側邊界流出（規定的溫度為大氣壓下 370 K）。假設底部邊界為一個固定溫度規定為 540 k 的壁面。所有其他邊界假定為絕熱的實心壁面。模型如下：
2、STAR-CCM+設置
（1）選擇物理模型；流體是湍流且問題涉及多相流體和沸騰。本案例需要兩種流體（水和水蒸氣）。但是，由于這些流體占據相同的域，所以僅需要一個連續體和一個區域即可設置模擬。物理模型的選擇如下：
（2）定義材料特性；在連續體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節點，創建新相，把新相命名為H2O，在H2O節點選擇流體和恒密度兩種模型。同樣的方式創建氣相，并把其中的air替換為水蒸氣。
（3）定義相間相互作用；定義液體和水蒸氣相之間的相互作用。分別將 H2O 相和 H2O (G) 相指定為初生相和次生相。使用多相交互作用模型可定義液體和蒸汽相之間的相互作用。右鍵單擊Models > MultiphaseInteraction > Phase Interactions，創建一個新相間相互作用。選擇相應的沸騰模型。因沸騰而產生的壁面熱通量是壁面邊界的高度非線性函數，其中壁面溫度是數值求解的一部分。例如，給定的熱通量壁面邊界或固液交界面。在這些情況下，為了改進收斂，可降低沸騰產生的熱通量的亞松馳因子值（Rohsenow 沸騰節點中的亞松馳因子屬性）。
展開 fluent中的沸騰模型（1）-RPI模型
“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。
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RPI模型
根據RPI基本模型，將壁面到液體的總熱流分為對流熱流、淬火熱流和蒸發熱流三部分:
被加熱的壁面細分為被成核氣泡覆蓋的區域A_b和被流體覆蓋的部分1-A_b。
展開 
沸騰流仿真（伴隨有相變化的自由表面流仿真）
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展，有關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，仍有一些復雜的混相流現象難以進行模擬。其中之一就是沸騰流。沸騰流雖然在熱交換器，冷卻系統等許多工業領域中有廣泛的應用，但其流動方式會隨液體與傳熱表面的溫度差等因素而發生變化，是一種復雜的流動。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，以及因氣液態密度差引起的體積的增減。上述諸量的變化，在局部區域取得平衡。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年提出了有關蒸發和冷凝的一系列基礎方程式，從而建立起一個完整的模型。圖21.2就是Lee建立的模型，各個流體單元內的液體溫度若高于飽和溫度（即沸點）就蒸發，反之就液化。從這一假定出發，根據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生相變化時，物質的密度也隨之發生變化。
展開 gPROMS真空沸騰式海水淡化裝置在船舶航海方面的應用
gPROMS真空沸騰式海水淡化裝置在船舶航海方面的應用
1. 背景描述
真空沸騰式海水淡化裝置，在真空條件下加熱和汽化。
圖1真空沸騰式海水淡化裝置工作原理圖
2. 技術路線
本文利用gPROMS自帶的基礎模型庫搭建了與海水淡水裝置同樣工作原理的流程圖，如圖2所示。其中圖2中的“HX1”模型是缸套冷卻水與補給海水進行換熱的換熱器；圖2中的“Pipe”模型的作用是類似于海水淡化裝置中抽空氣，是為了降壓，使水分蒸發；圖2中的“Seperator”模型類似于海水淡化裝置中的冷凝器，是氣液兩相分離；圖2中的“HX2”模型是冷卻海水與淡水進行換熱的換熱器。
圖2 gPROMS中搭建的海水淡化裝置工作原理流程圖
3. 模擬計算
海水溫度：298.15K，組成：0.98/0.02(H2O/NaCl)，壓力1bar
海水加熱出口溫度：325K
真空壓力：1000Pa
淡水冷卻出口溫度：300K
計算結果如圖3所示：
圖3 計算結果
3.1裝置壓力對淡水流率的影響
裝置壓力對淡水出口流率是有顯著影響的，下圖4是裝置壓力對淡水出口流率的靈敏度分析流程圖。
圖4真空度對淡水出口流率的靈敏度分析流程圖
其結果如下圖5所示，可以得出海水裝置中壓力越小，淡水流率越大。
圖5裝置壓力對淡水流率的影響
3.2海水經過加熱器后的出口溫度對淡水流率的影響
海水經過加熱器后的出口溫度對淡水出口流率是有顯著影響的，下圖6是海水經過加熱器后的出口溫度對淡水出口流率的靈敏度分析流程圖。
圖6 海水經過加熱器出口溫度對淡水出口流率的靈敏度分析流程圖
其結果如下圖7所示，可以得出海水經過加熱器出口溫度越大，淡水流率越大。
圖7海水經過加熱器出口溫度對淡水流率的影響
4.
展開 基于comsol模擬沸騰水中氣泡的形成及移動 ￥50
通過comsol的層流、相場以及傳熱模塊模擬水在沸騰時氣泡的形成以及水液相與氣相之間的轉化
附加一個水滴低落案例，同樣是層流以及相場模塊方便大家學習
案例需要comsol6.0及以上版本
案例一，水沸騰
案例二 水滴滴落
FLUENT多相流案例之二：基于VOF模型的水平薄膜沸騰仿真 ￥499
薄膜沸騰，是指當壁面溫度遠遠高于與壁面接觸的液體的飽和溫度，整個壁面都浸在蒸汽中，由于在汽-液界面發生沸騰質量交換，氣泡周期性地產生并向上流動溢出。本算例采用VOF多相流模型，UDF定義初始邊界溫度分布，壁面溫度變化以及傳熱傳質過程中的源項。
2s時刻的液體體積分數云圖
UDF函數共有5個，DEFINE_ADJUST，DEFINE_INIT，以及3個DEFINE_SOURCE，僅列出一個
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