蒸發冷凝的案例
三十、Fluent兩種蒸發-冷凝模型理論及設置
1．蒸發冷凝模型理論
Fluent提供了兩種蒸發冷凝模型，分別是Lee模型和熱相變模型（Thermal Phase Change Model）
并且建議模擬蒸發冷凝時，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。
質量傳輸方程：
注：是否可將此方程改寫為UDS方程？
①UDS標準輸運方程：，參考T55
②倒三角為梯度符號，參考T66
③方程右邊為輸運方程源項
Fluent定義液相向氣相傳質為正：
蒸發只有液相向氣相傳質，冷凝只有氣相向液相傳質。能量源項等于質量源項乘以潛熱。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模型中才會有此參數）
R為理想氣體常數，Tsat為飽和溫度，L為潛熱(J/kg)，αv為氣體體積分數，ρv為氣體密度，ρl為液體密度，M為摩爾質量。β因子是通過調節系數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和調節系數β通常不是很清楚，這就是為什么coeff系數必須微調以符合實驗數據。默認情況下，蒸發系數和冷凝系數均為0.1。
展開 十三、FLUENT蒸發/冷凝模型
很多同學要研究的問題涉及到相變，如蒸發冷凝問題。對于冷凝，當溫度低于當前蒸汽壓力對應的飽和溫度時就會發生凝結。對于蒸發，蒸發可以在任何溫度下進行。Fluent自帶有蒸發冷凝模型，確切點說，Fluent自帶的相變模型更適用于沸騰和冷凝，其飽和溫度是一個定值，當然可以通過UDF使飽和溫度改變來模擬蒸發問題。
本例用一個簡單的例子來簡要描述Fluent蒸發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。計算域內初始充滿0.9m深的水。
2 導入網格
打開fluent，導入上步生成的網格模型。Scale檢查網格尺寸。
確保計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 設置求解器
選擇壓力基(pressure-based)求解器，同時選擇瞬態模擬。由于水沸騰時水蒸氣會在浮力作用下向出口運動，因此考慮重力。設置重力加速度為重力加速度為y方向，大小-9.81m/s2。
4 設置計算模型
添加多相流模型為VOF模型，設置歐拉相數量為2。這里如果想要產生氣泡，需要設置為VOF模型，如果設置了Mixture模型，氣液界面不明顯，無法產生氣泡。
激活能量方程。
此例為層流流動，不激活湍流模型。
5 材料設置
添加材料water-vapor及water-liquid。修改材料屬性。
展開 fluent利用蒸發/冷凝模型模擬沸騰
圖7 設置主相
圖8 設置第二相
定義相間作用，即定義蒸發/冷凝模型。點擊interaction按鈕進入如圖9所示對話框。選擇from phase為liquid，選擇to phase為vapor，即為由液態轉化為氣態，選擇模型為evaproation-condensation。此時彈出模型定義對話框，如圖10所示。這里采用默認設置即可。
圖9 選擇蒸發/冷凝模型
圖10 設置蒸發模型
[轉載]Fluent中的蒸發/冷凝模型實例
圖7 設置主相
圖8 設置第二相
定義相間作用，即定義蒸發/冷凝模型。點擊interaction按鈕進入如圖9所示對話框。選擇from phase為liquid，選擇to phase為vapor，即為由液態轉化為氣態，選擇模型為evaproation-condensation。此時彈出模型定義對話框，如圖10所示。這里采用默認設置即可。
圖9 選擇蒸發/冷凝模型
圖10 設置蒸發模型
7 設置邊界條件
本例的邊界條件較為簡單。
Outlet：采用壓力出口，設置出口蒸氣含量100%，溫度372K
Walls：設置為絕熱邊界。設置heat flux為0
Hot wall：設置temperature為570K
設置operating conditions如圖11所示。
圖11 operation condition
設置參考密度為氣相密度0.5542。
8 求解方法
設置pressure為body force weighted，其他momentum、volume fraction、energy全采用quick算法，有利于提高計算精度。
在solution controls面板中設置亞松弛因子。設置pressurewie為0.5，momentum為0.2,volume fration為0.2。
9 初始化
初始化時設置temperature為372K。
需要patch兩個區域：
1、與hotwall相鄰網格節點。由于hotwall溫度高達570K，超出水的沸點373.15K，因此需要adapt出hotwall邊界相鄰節點區域，設置其溫度為373.15K。
2、Patch出初始水位。由于初始狀態下計算域中有深0.9m的水，因此需要通過patch將其標記出來。
展開 
star ccm液膜蒸發冷凝，組分發散
使用液膜蒸發冷凝模型+多相相互作用模擬一個封閉矩形空腔內的水蒸氣冷凝過程，環境溫度下降導致矩形外殼降溫，會使飽和水蒸氣在液膜上冷凝，但是冷凝一發生，組分air和h2o的殘差就特別大？時間步長取的0.01s，內迭代多少步都沒用，希望答疑解惑可支付50元報酬
HTFS冷凝器蒸發器設計
干式蒸發器設計與校核
I.系統參數確定
利用SolKane對系統參數進行設計：
輸入蒸發溫度、冷凝溫度，過熱度設定為4℃，過熱度太大，會引起蒸發器設計面積過大；蒸發器壓降設定為0.5bar，過冷度設定在2.0℃，冷凝器壓降為0.3bar。
II.HTFS設計
1.Problem Definition項目定義 ⑴Application Options-應用選型
冷側與熱側的Application應用會自動根據后面的過程參數中進出口干度調整，在選擇時可保持默認狀態。
⑵Process Data-過程參數
對于冷凝器和蒸發器來說，因管內外傳熱系數均很大，所以污垢系數對換熱器的面積影響非常大。
2.Property Data-物性參數
換熱面積初步確定：（管型為12mm×0.5-實際厚度）
熱流密度按12Kw/m2計算，單位管長面積為0.0377m2/m，即單位管長負荷為0.4524Kw/m。
總管長=負荷(kw)÷0.4524(kw/m) 管程布局：
單管流通截面積為0.000095m2，通過Solkane可知其質量流量，對于12mm管型，R22制冷劑，其最佳截面質量流量為250kg/s.m2左右，建議范圍為200<m<300 kg/s.m2。
每流程管數=質量流量(kg/s)÷250(kg/s.m2)÷0.000095m2 管長選擇：
標準管長為 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徑的20%~100%。 折流板切口率： 20%~35%。
修正系數：
阻力因子fDarcy = C*Re-D
傳熱系數hi = (k/Di nom.)
展開 積鼎 VirtualFlow 案例 | 環路熱管相變換熱模擬，實現微通道氣液兩相、單相及流固耦合仿真計算
一般由蒸發器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構成。其工作原理為：對蒸發器施加熱載荷，工質在蒸發器毛細芯外表面蒸發，產生的蒸氣從蒸氣槽道流出進入蒸氣管線，繼而進入冷凝器冷凝成液體并過冷，回流液體經液體管線進入液體干道對蒸發器毛細芯進行補給，如此循環，而工質的循環由蒸發器毛細芯所產生的毛細壓力驅動，無需外加動力。由于冷凝段和蒸發段分開，環路式熱管廣泛應用于能量的綜合應用以及余熱的回收。
環路熱管能將制冷機的冷量遠距離傳輸至受控元件,同時隔離制冷機對光學系統的電磁和機械震動干擾，環路熱管管線具有一定的柔性，方便在航天器內靈活布局。
由于冷凝段和蒸發段分開，環路式熱管廣泛應用于能量的綜合應用以及余熱的回收。但是其結構緊湊、面對長距離以及多點復雜的高熱流密度熱源的散熱現象，普通的測量設備很難精確的測量相變過程的溫度、速度等參數的變化；同時試驗的周期較長，費用很高，導致研發周期和成本都急劇增加。
針對上述現象，用戶單位某物理研究所提出需要環路熱管相變換熱整體解決方案，幫助其在熱管的研發設計前期，用仿真替代一部分試驗，縮短研發周期。
項目目標
積鼎基于公司現有的VirtualFlow軟件，通過對兩相流動的毛細力和沸騰換熱、冷凝換熱的研究，完善相關的求解算法和物性參數庫，形成熱管相變冷卻的整體解決方案。其可用于模擬吸液芯的毛細現象、蒸發管的沸騰、冷凝器的冷凝等復雜現象，解決熱管試驗參數不易測量和試驗成本高等問題。
軟件可以對流體回路的部件及換熱器等進行微觀的氣液兩相、單相、流固耦合等模擬仿真計算，提取所仿真的物理現象及趨勢，并能與理論計算比較驗證。
2.
展開 電動汽車幾種加熱方案解析
3 熱泵加熱方式
熱泵加熱是在電動壓縮機制冷回路的基礎上，增加電磁閥控制制冷劑流向， 通過蒸發冷凝器從周圍環境中吸收熱量， 通過內部冷凝器向駕駛室釋放熱量， 使駕駛室溫度升高， 滿足除霜除霧的法規要求， 為乘員提供舒適的環境。
3.1 實施方案
增加電動壓縮機、 電磁閥、 內部冷凝器、 蒸發冷凝器、 單向閥、 電子膨脹閥及優化后管路結構，從而形成封閉的制冷劑循環回路， 其中內部冷凝器替換原車暖風芯體。 熱泵制熱模式見圖10。
3.2 優點
系統效率高， 根據目前的電動壓縮機技術， 0 ℃時熱泵系統的COP為2.5， -5 ℃時熱泵系統的COP為2.0， 因此， 在產生相同熱量的前提下， 使用熱泵加熱方式比使用電加熱方式消耗的電能更少， 可增加車輛的續駛里程。
3.3 難點
1） 關鍵零部件技術不成熟 ： 電動壓縮機 、 內部冷凝器、 蒸發冷凝器、 制冷管路用電磁閥等核心零部件尚在研發之中。 對于蒸發冷凝器來說， 降低內部壓力是提高產品最大換熱能力的關鍵因素； 合理的翅片尺寸可降低蒸發冷凝器結霜的風險。
2） 控制技術不成熟 ： 熱泵式空調控制技術 ，尤其是車用電動渦旋壓縮機的變轉速控制算法和電磁閥的控制 （空調模式與熱泵模式之間相互轉換）算法不成熟。
3） 熱泵系統結構復雜 ， 零部件數量多 ， 機艙布置困難。
4） 成本增加很多， 開發周期長。
5） 隨著環境溫度降低 ， 熱泵系統的COP值會有所下降。 當環境溫度低于-10 ℃時， 電動壓縮機轉速需要達到8 000 r/min以上才能維持熱平衡。 當電動壓縮機轉速達到8 000 r/min以上時， 噪聲很大，很難達到相關標準的要求， 故此熱泵加熱方式受溫度范圍限制較大。
展開 制冷劑霧化的節流及分液特性探討 附噴霧學曹建明下載
④ 邊界條件
噴嘴進出口邊界為壓力邊界，并與冷凝和蒸發壓力對應，霧化腔進出口邊界分別為速度及壓力邊界，并將單個噴嘴整個霧化過程簡化為軸對稱模型進行計算，如圖2（a）和2（b）所示，并根據文獻[7,11]將模型2（a）所計算出的噴嘴出口速度分布擬合為五次多項式作為模型2（b）霧化腔進口速度。
圖2 計算模型和邊界條件
基于上述模型，采用CFD 仿真技術對單個霧化噴嘴的節流特性進行了模擬計算，分析了蒸發溫度、冷凝溫度、過冷度等對霧化噴嘴節流特性的影響。
1.2 噴嘴霧化節流特性分析
本文通過分析霧化噴嘴出口流量和霧化流場軸向速度來考察制冷劑霧化的節流特性，為分析蒸發溫度、冷凝溫度及過冷度的影響，計算了單個噴嘴的霧化節流特性，計算條件為：制冷工質為R22，噴嘴孔徑4mm，長徑比為1.25。蒸發溫度5~15℃、冷凝溫度45~55℃、過冷度0~8K。
1.2.1 霧化噴嘴出口速度及流量
在霧化噴嘴結構一定條件下，蒸發溫度、冷凝溫度是影響噴嘴出口速度及流量的重要因素，并且噴嘴出口速度和流量對整個霧化節流機構的設計至關重要，為此，本文計算了霧化噴嘴在上述計算條件下，霧化噴嘴出口最高速度（出口截面中心速度）[7]及流量隨蒸發溫度和冷凝溫度的變化規律，結果如圖3 所示，計算結果表明過冷度影響較小，所以忽略該因素影響。
圖3 蒸發（冷凝）溫度對噴嘴出口流量和最高速度的影響
圖3（a）為蒸發溫度及冷凝溫度對噴嘴出口流量的影響。由圖可見，噴嘴出口流量隨蒸發溫度的降低及冷凝溫度的升高近似呈線性增加，并且冷凝溫度升高導致的線性增長率是蒸發溫度降低的兩倍，顯然冷凝溫度對流量的影響顯著大于蒸發溫度。在計算范圍內，噴嘴流量在4.125~5.230g/s之間變化；圖4（b）為不同蒸發及冷凝溫度下噴嘴出口最高速度。
展開 2025大賽優秀作品 | 氣液兩相流仿真技術研究與應用實踐
作品名稱：氣液兩相流仿真技術研究與應用實踐
作者： 葉祖樑 | 中興通訊股份有限公司 熱設計高級系統工程師
關鍵詞：氣液兩相流，Ansys Fluent，散熱器設計優化
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冷凝相變現象。綜合考慮軟件功能豐富性、模型自定義的可行性、以及學術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。
對六種不同蒸發流道的仿真結果顯示，優化方案對比無流道可提升蒸發量29%
熱管、VC等兩相散熱部件在各類電子產品中應用廣泛，是解決局部高熱流密度散熱問題的重要方案。兩相部件內傳熱傳質機理復雜，當前業界主要通過打樣實測的方式研究，缺乏有效的仿真正向設計方法。本研究梳理了兩相流仿真技術的情況，基于Ansys Fluent VOF+Lee模型的方法建立了正向設計能力，開展重力熱管、蒸發流道、3D散熱器的仿真實踐，仿真精度達到80%以上，指導了散熱器的設計優化，具有良好的工程價值。此外，本研究思考并提出未來氣液兩相流仿真的發展方向，為行業提供了參考。
挑戰/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，成為關鍵技術方案之一。目前在通訊電子產品中，熱管、VC、3DVC等利用工質蒸發冷凝兩相流動進行高效換熱的散熱部件的應用越來越廣泛，形態越來越復雜，為了得到性能更佳的散熱器，需要對氣液流動和換熱的現象和機理有更深的了解，仿真正向設計的重要性因此凸顯。
展開 基于Fluent的氣液相變傳熱傳質高級專題應用培訓
【培訓講師】 上海安世匯智流體專家
【培訓時間】 2023年7 月19日~21日
【培訓費用】 6000元/人
【培訓等級】 高 級
【培訓地點】 上海安世匯智公司，上海市浦東新區平家橋路36號晶耀前灘5號樓9樓
【培訓特色】
—— 精品小班課，資深工程師授課
—— 項目經驗豐富，精準匹配行業
—— 理論與上機結合，教學質量有保障
—— 真實案例教學，貼合企業實際需求
—— 設立分級課程，循序漸進培養仿真能力
—— 安世亞太官方培訓證書，豐富職業履歷
【培訓日程】
時間
具體內容
第一天
DPM模型基本理論介紹
DPM氣液相變模型介紹
DPM氣液相變案例分享
第二天
蒸發冷凝模型介紹
蒸發冷凝案例分享
壁面沸騰模型介紹
壁面沸騰案例介紹
第三天
基于熱相變模型氣液兩相流模擬介紹
引射器氣液相變案例分享
基于真實介質氣液相變案例分享
Q&A
【報名鏈接】
https://www.wenjuan.com/s/u6F3uaV/
（開課前一周截止報名）
【小貼士】
· 本次課程有上機操作環節，我們會準備好電腦與軟件；若報名人數超額，則需部分學員攜帶自己的電腦，我們會為您裝好試用軟件。
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四十一、Fluent初學者學習流程
比如想學習蒸發冷凝模型，那就需要先了解蒸發冷凝模型的設置，這些設置的理論依據，查幫助文檔，了解蒸發冷凝模型的理論等。
慢慢的，為了搞清楚模型的設置依據，我們就自然而然的接觸到理論部分，而不是一上來就強迫自己啃那些天書。
6. 總結
到這里基本上初學者的流程就走完了，我們已經由泛泛而學慢慢轉向為精學。現在我們簡單總結一下：
第一步：看Fluent教學視頻，最好有講解，同時附帶有源文件的。時間：10天20個案例
第二步：找案例，不看視頻單獨進行操作。時間：10天10個案例
第三步：學習建模及網格劃分軟件。時間：20天，兩款軟件（建模一款+網格劃分一款）
第四步：進行你的項目。時間：不限，看自己的項目情況
第五步：專項學習。時間：不限，可以與第四步交叉進行。
以上只是我自己的心得，大家可以參考一下，找到自己的學習方法最重要。
微信公眾號：Fluent學習筆記，歡迎大家關注，可免費獲取文章的cas及dat文件和更多幫助文件
展開 《從零開始學散熱》：熱管和均溫板
其定義分別如下：
最大熱傳量Qmax： Qmax的值等于如下情境中的發熱量：熱管或VC的蒸發段貼合發熱量為Q的發熱源，測量得出的蒸發段和冷凝段之間的溫差在規定的范圍內（工程上通常使用5℃作為判定標準，部分嚴格標準采用2℃），單位為W；
熱阻R：當傳遞大小為Q的熱量時，實際測得的蒸發段和冷凝段之間的溫差為ΔT，熱阻的值就是ΔT/Q，單位為℃/W或者K/W；
啟動溫度T0：熱管內進行的是一個蒸發冷凝的過程。但流體的蒸發和冷凝必須在一定的溫度、壓強條件下才會發生。啟動溫度T0是指熱管或VC內形成相變換熱循環時所需要的最低溫度。啟動溫度很低時，就需要用沸點更低的工質，如氨水，極低的溫度，甚至可以使用氧氣、氮氣這類沸點很低的介質；
抗重力特性或方向性：從熱管的工作原理可知，管內傳熱過程存在一個液體回流的過程。當重力有助于液體回流時，管內冷熱循環效率更高，熱管的效能會獲得重力的加持，表現為最大傳熱量的增加或相同傳熱量時熱阻的減小，當重力不利于液體回流時（液體回流方向和重力方向相反），熱管的最大傳熱量就會下降。在選擇熱管時，必須考慮熱源所處的位置和重力方向的相對位置。通過設計毛細結構，加大回流的毛細力，能夠提高熱管抗重力特性，但加大毛細力通常意味著更厚的毛細結構，實際上會犧牲了熱管在非逆重力情況下的傳熱效能（如下圖紅色線所示）。
圖6 常規熱管的最大傳熱量隨工作反向的變化圖[2]
熱管的這四個關鍵特性或指標主要與管徑、吸液芯滲透率和孔隙率、吸液芯厚度、工作流體性質、充液量、內部真空度、管壁厚度，折彎角度和工作環境等多個因素有關。當熱管被拍扁或者折彎時，內部的蒸汽流動空間縮小，液體流動的毛細結構也會被不同程度的損傷，因此其傳熱性能就會有所衰減。同樣，越薄的VC，其上述三個性能指標也會降低。
展開 液滴蒸發fluent模擬
Fluent(axi, dp, pbns, eulerian, spe, lam, transient) 傳熱模型: constant-htc: 10000 傳質模型: species-mass-transfer, Mass Transfer Coefficient: From Phase: 0.05, To Phase: 0.5 從Youtube上看到的一個案例，自己試了試復現了下，用的fluent蒸發冷凝模型
Ansys氣液設備典型應用
氣液兩相混合設備（如生物反應器）
設計中的難點
‐ 設備在放大和縮小過程中，了解性能的變化
‐ 了解氣體停留時間，氣含率的分布
‐ 防止氣體短路
‐ 傳質速率預測
‐ 防止渦流形成
‐ 限制剪切速率
Ansys技術方案
‐ ANSYS CFD仿真可以進行穩態、瞬態、氣液兩相的仿真，液相和氣相場可視化、可以進行氣泡停留時間預測、氣泡大小分布評估、傳質率 (KLa 預測)、獲得剪切率
推薦Ansys模塊
‐ Ansys CFD Premium + HPC Pack
Gas distribution in a reactor
蒸發冷凝
設計中的難點
- 冷卻液溫度對冷凝效果的影響
- 冷卻液損失分析
‐ 蒸發預測
‐ 冷凝對管材的影響
Ansys技術方案
‐ ANSYS CFD內部含有豐富的多相模型，冷凝和蒸發模型，SMB 沸騰模型，能夠幫助計算蒸汽、液體和冷凝水的體積分數，研究冷卻液損失對熱交換器性能的影響，管材和殼體上的熱負荷和結構載荷
推薦Ansys模塊
‐ CFD Premium + HPC pack+ Mechanical Enterprise + ncode
Condensation profile on heat exchanger tubes
鼓泡塔
設計中的難點
- 鼓泡塔具有良好的傳熱性能、結構簡單易于制造等特點，在石化石化領域有著廣泛的應用，但鼓泡塔內涉及復雜的多相流動，致使反應器設計放大存在困難
- 在不同操作條件下存在明顯的流型轉變
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