兩相流蒸發(fā)冷凝的案例
2025大賽優(yōu)秀作品 | 氣液兩相流仿真技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐
作品名稱：氣液兩相流仿真技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐
作者： 葉祖樑 | 中興通訊股份有限公司 熱設(shè)計(jì)高級(jí)系統(tǒng)工程師
關(guān)鍵詞：氣液兩相流，Ansys Fluent，散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化
作者說
Ansys Fluent提供多種多相流模型，如VOF模型、混合物模型、歐拉模型等，可用于模擬氣液兩相流蒸發(fā)冷凝相變現(xiàn)象。綜合考慮軟件功能豐富性、模型自定義的可行性、以及學(xué)術(shù)研究中使用的廣泛性，Ansys Fluent很適合作為氣液兩相流仿真的研究工具。
對六種不同蒸發(fā)流道的仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化方案對比無流道可提升蒸發(fā)量29%
熱管、VC等兩相散熱部件在各類電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，是解決局部高熱流密度散熱問題的重要方案。兩相部件內(nèi)傳熱傳質(zhì)機(jī)理復(fù)雜，當(dāng)前業(yè)界主要通過打樣實(shí)測的方式研究，缺乏有效的仿真正向設(shè)計(jì)方法。本研究梳理了兩相流仿真技術(shù)的情況，基于Ansys Fluent VOF+Lee模型的方法建立了正向設(shè)計(jì)能力，開展重力熱管、蒸發(fā)流道、3D散熱器的仿真實(shí)踐，仿真精度達(dá)到80%以上，指導(dǎo)了散熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化，具有良好的工程價(jià)值。此外，本研究思考并提出未來氣液兩相流仿真的發(fā)展方向，為行業(yè)提供了參考。
挑戰(zhàn)/需求
芯片功率密度不斷升高，散熱成為瓶頸。兩相散熱憑借超高換熱能力，成為關(guān)鍵技術(shù)方案之一。目前在通訊電子產(chǎn)品中，熱管、VC、3DVC等利用工質(zhì)蒸發(fā)冷凝兩相流動(dòng)進(jìn)行高效換熱的散熱部件的應(yīng)用越來越廣泛，形態(tài)越來越復(fù)雜，為了得到性能更佳的散熱器，需要對氣液流動(dòng)和換熱的現(xiàn)象和機(jī)理有更深的了解，仿真正向設(shè)計(jì)的重要性因此凸顯。
展開 十三、FLUENT蒸發(fā)/冷凝模型
很多同學(xué)要研究的問題涉及到相變，如蒸發(fā)冷凝問題。對于冷凝，當(dāng)溫度低于當(dāng)前蒸汽壓力對應(yīng)的飽和溫度時(shí)就會(huì)發(fā)生凝結(jié)。對于蒸發(fā)，蒸發(fā)可以在任何溫度下進(jìn)行。Fluent自帶有蒸發(fā)冷凝模型，確切點(diǎn)說，F(xiàn)luent自帶的相變模型更適用于沸騰和冷凝，其飽和溫度是一個(gè)定值，當(dāng)然可以通過UDF使飽和溫度改變來模擬蒸發(fā)問題。
本例用一個(gè)簡單的例子來簡要描述Fluent蒸發(fā)冷凝模型的使用方法。
1 模型描述
本例的模型較為簡單，如圖所示。計(jì)算域高1m，寬0.2m。頂部邊界為壓力出口，底部有一高溫壁面hot_wall，溫度570K，其他壁面wall為絕熱邊界。計(jì)算域內(nèi)初始充滿0.9m深的水。
2 導(dǎo)入網(wǎng)格
打開fluent，導(dǎo)入上步生成的網(wǎng)格模型。Scale檢查網(wǎng)格尺寸。
確保計(jì)算域尺寸是我們所需要的。本例中x方向尺寸0~0.2m，y方向0~1m。
3 設(shè)置求解器
選擇壓力基(pressure-based)求解器，同時(shí)選擇瞬態(tài)模擬。由于水沸騰時(shí)水蒸氣會(huì)在浮力作用下向出口運(yùn)動(dòng)，因此考慮重力。設(shè)置重力加速度為重力加速度為y方向，大小-9.81m/s2。
4 設(shè)置計(jì)算模型
添加多相流模型為VOF模型，設(shè)置歐拉相數(shù)量為2。這里如果想要產(chǎn)生氣泡，需要設(shè)置為VOF模型，如果設(shè)置了Mixture模型，氣液界面不明顯，無法產(chǎn)生氣泡。
激活能量方程。
此例為層流流動(dòng)，不激活湍流模型。
5 材料設(shè)置
添加材料water-vapor及water-liquid。修改材料屬性。
展開 fluent利用蒸發(fā)/冷凝模型模擬沸騰
圖7 設(shè)置主相
圖8 設(shè)置第二相
定義相間作用，即定義蒸發(fā)/冷凝模型。點(diǎn)擊interaction按鈕進(jìn)入如圖9所示對話框。選擇from phase為liquid，選擇to phase為vapor，即為由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，選擇模型為evaproation-condensation。此時(shí)彈出模型定義對話框，如圖10所示。這里采用默認(rèn)設(shè)置即可。
圖9 選擇蒸發(fā)/冷凝模型
圖10 設(shè)置蒸發(fā)模型
[轉(zhuǎn)載]Fluent中的蒸發(fā)/冷凝模型實(shí)例
圖7 設(shè)置主相
圖8 設(shè)置第二相
定義相間作用，即定義蒸發(fā)/冷凝模型。點(diǎn)擊interaction按鈕進(jìn)入如圖9所示對話框。選擇from phase為liquid，選擇to phase為vapor，即為由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，選擇模型為evaproation-condensation。此時(shí)彈出模型定義對話框，如圖10所示。這里采用默認(rèn)設(shè)置即可。
圖9 選擇蒸發(fā)/冷凝模型
圖10 設(shè)置蒸發(fā)模型
7 設(shè)置邊界條件
本例的邊界條件較為簡單。
Outlet：采用壓力出口，設(shè)置出口蒸氣含量100%，溫度372K
Walls：設(shè)置為絕熱邊界。設(shè)置heat flux為0
Hot wall：設(shè)置temperature為570K
設(shè)置operating conditions如圖11所示。
圖11 operation condition
設(shè)置參考密度為氣相密度0.5542。
8 求解方法
設(shè)置pressure為body force weighted，其他momentum、volume fraction、energy全采用quick算法，有利于提高計(jì)算精度。
在solution controls面板中設(shè)置亞松弛因子。設(shè)置pressurewie為0.5，momentum為0.2,volume fration為0.2。
9 初始化
初始化時(shí)設(shè)置temperature為372K。
需要patch兩個(gè)區(qū)域：
1、與hotwall相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。由于hotwall溫度高達(dá)570K，超出水的沸點(diǎn)373.15K，因此需要adapt出hotwall邊界相鄰節(jié)點(diǎn)區(qū)域，設(shè)置其溫度為373.15K。
2、Patch出初始水位。由于初始狀態(tài)下計(jì)算域中有深0.9m的水，因此需要通過patch將其標(biāo)記出來。
展開 
HTFS冷凝器蒸發(fā)器設(shè)計(jì)
干式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)與校核
I.系統(tǒng)參數(shù)確定
利用SolKane對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：
輸入蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，過熱度設(shè)定為4℃，過熱度太大，會(huì)引起蒸發(fā)器設(shè)計(jì)面積過大；蒸發(fā)器壓降設(shè)定為0.5bar，過冷度設(shè)定在2.0℃，冷凝器壓降為0.3bar。
II.HTFS設(shè)計(jì)
1.Problem Definition項(xiàng)目定義 ⑴Application Options-應(yīng)用選型
冷側(cè)與熱側(cè)的Application應(yīng)用會(huì)自動(dòng)根據(jù)后面的過程參數(shù)中進(jìn)出口干度調(diào)整，在選擇時(shí)可保持默認(rèn)狀態(tài)。
⑵Process Data-過程參數(shù)
對于冷凝器和蒸發(fā)器來說，因管內(nèi)外傳熱系數(shù)均很大，所以污垢系數(shù)對換熱器的面積影響非常大。
2.Property Data-物性參數(shù)
換熱面積初步確定：（管型為12mm×0.5-實(shí)際厚度）
熱流密度按12Kw/m2計(jì)算，單位管長面積為0.0377m2/m，即單位管長負(fù)荷為0.4524Kw/m。
總管長=負(fù)荷(kw)÷0.4524(kw/m) 管程布局：
單管流通截面積為0.000095m2，通過Solkane可知其質(zhì)量流量，對于12mm管型，R22制冷劑，其最佳截面質(zhì)量流量為250kg/s.m2左右，建議范圍為200<m<300 kg/s.m2。
每流程管數(shù)=質(zhì)量流量(kg/s)÷250(kg/s.m2)÷0.000095m2 管長選擇：
標(biāo)準(zhǔn)管長為 2100；2400；2700；3300；3600 管間距： 管間距≥16mm 折流板間距：
折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%~100%。 折流板切口率： 20%~35%。
修正系數(shù)：
阻力因子fDarcy = C*Re-D
傳熱系數(shù)hi = (k/Di nom.)
展開 star ccm液膜蒸發(fā)冷凝，組分發(fā)散
使用液膜蒸發(fā)冷凝模型+多相相互作用模擬一個(gè)封閉矩形空腔內(nèi)的水蒸氣冷凝過程，環(huán)境溫度下降導(dǎo)致矩形外殼降溫，會(huì)使飽和水蒸氣在液膜上冷凝，但是冷凝一發(fā)生，組分air和h2o的殘差就特別大？時(shí)間步長取的0.01s，內(nèi)迭代多少步都沒用，希望答疑解惑可支付50元報(bào)酬
三十、Fluent兩種蒸發(fā)-冷凝模型理論及設(shè)置
1．蒸發(fā)冷凝模型理論
Fluent提供了兩種蒸發(fā)冷凝模型，分別是Lee模型和熱相變模型（Thermal Phase Change Model）
并且建議模擬蒸發(fā)冷凝時(shí)，使用熱相變模型（Therefore, it is generally recommended that you use the Eulerian multiphase formulation with the two-resistance heat transfer method when simulating evaporation-condensation processes.-ANSYS Help）
(1) Lee模型理論
Lee模型可以在Mixture、VOF和歐拉多相流模型中使用。
質(zhì)量傳輸方程：
注：是否可將此方程改寫為UDS方程？
①UDS標(biāo)準(zhǔn)輸運(yùn)方程：，參考T55
②倒三角為梯度符號(hào)，參考T66
③方程右邊為輸運(yùn)方程源項(xiàng)
Fluent定義液相向氣相傳質(zhì)為正：
蒸發(fā)只有液相向氣相傳質(zhì)，冷凝只有氣相向液相傳質(zhì)。能量源項(xiàng)等于質(zhì)量源項(xiàng)乘以潛熱。與UDF lee模型定義相同。
式中的coeff（單位1/s）：（Fluent幫助文檔中有推導(dǎo)過程）
其中，db為蒸汽氣泡直徑（只有在歐拉模型和Mixture模型中才會(huì)有此參數(shù)）
R為理想氣體常數(shù)，Tsat為飽和溫度，L為潛熱(J/kg)，αv為氣體體積分?jǐn)?shù)，ρv為氣體密度，ρl為液體密度，M為摩爾質(zhì)量。β因子是通過調(diào)節(jié)系數(shù)和蒸汽的物理特性來定義的，在接近平衡條件下接近1.0。
由于氣泡直徑db和調(diào)節(jié)系數(shù)β通常不是很清楚，這就是為什么coeff系數(shù)必須微調(diào)以符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。默認(rèn)情況下，蒸發(fā)系數(shù)和冷凝系數(shù)均為0.1。
展開 