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CFD丨多相流案例丨04VOF:沸腾

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本案例为STAR-CCM+帮助文档案例学习,只是笔记记录!

使用的网格同CFD丨多相流案例丨01VOF:重力驱动流体

只是此例中的相关物理维度均缩小了,以使喷嘴宽度约为 50 mm。

水从左侧边界流入计算域(速度和温度分别为1m/s和350K)。

水从右侧边界流出(温度为大气压下370K)。

假设底部边界为一个固定温度规定为 540K的壁面。

所有其他边界假定为绝热壁面。

1 导入网格文件

① 启动STAR-CCM+。

② 选择文件→导入→导入体网格。

③ 保存文件。

2 转换为2D网格

① 选择网格→转换为2D。

② 确保已激活转换后删除3D区域选项。

③ 删除连续体→物理1。

注意三维网格转换成二维网格要求

a. 网格必须在X-Y平面对齐。

b. 网格必须在Z=0位置有一个边界平面。

3 缩放网格

初始网格并未按正确比例构建,因此需要缩小 10 倍。

① 从菜单中选择网格→比例缩放网格。

② 在比例缩放网格对话框中,选择 Default_Fluid 2D 区域, 比例因子设置为0.1。

③ 单击应用后,网格区域尺寸会缩小。

④ 单击可视化工具栏中的重置视图。

4 选择物理模型

物理模型定义模拟的主变量,包括压力、温度、速度和用于生成求解的数学公式。

在此示例中,流体是湍流且问题涉及多相流体和沸腾。

此次分析需要两种流体(水和水蒸气)。但是,由于这些流体占据相同的域,所以仅需要一个连续体和一个区域即可设置模拟。

① 将physical 1 2D 连续体节点重命名为沸腾。

② 选择物理模型如下图所示。

5 设置材料特性

在欧拉相节点定义各混合物成分所对应的材料。

① 在boiler连续体中,右键单击模型→多相→欧拉相,然后创建一个新相。

② 将相 1 节点重命名为 H2O。

③ 对H2O相,选择模型。

④ 创建第2相,然后将其重命名为H2O(g),H2O(g)模型选择。

⑤ 在STAR-CCM+ 材料数据库中将第3相中的空气替换为水蒸气。

⑥ 右键单击 H2O (g) → 模型→ 气体→ 空气节点,然后选择替换为。

⑦ 在替换材料对话框中,展开材料数据库 → 标准 → 气体→ H2O(Water)。

6 定义相间相互作用

使用多相交互作用模型可定义空气和液相之间的相互作用。

① 在boiler连续体中,右键单击模型→ 多相交互作用→相间相互作用,选择新建 > H2O > H2O (G)。

② 对于相间相互作用 1,按顺序选择下列模型。

因沸腾而产生的壁面热通量是壁面边界的高度非线性函数,其中壁面温度是数值求解的一部分

给定的热通量壁面边界或固液交界面。在这些情况下,为了改进收敛,可降低沸腾产生的热通量的亚松弛因子值(Rohsenow 沸腾节点中的亚松弛因子属性)。

7 设置初始条件

定连续体内的初始体积分数和温度。连续体内没有初始水蒸气。

要设置boiler连续体的初始条件。

8 设置边界条件

定义边界类型并指定适当的属性值。

① 将 Default_Fluid 2D 节点重命名为流体。

② 流体→边界,left为速度入口,right为压力出口,其它为壁面。

③ bottom底面定温为540K。

④ left→物理值。

⑤ right5物理值。

9 设置求解器参数和停止条件

解算非稳态问题,必须指定时间步长和消耗的模拟时间。此计算以 0.01 s 的时间步长最多运行 3 s 物理时间。

沸腾流体通常是不稳定的,具有很强的浮力效应和极大的流体不稳定性

因此,建议对此类型的流体使用非稳态求解器。 

会遇到这种情况,即平均流体占据主导,且最终找到一个稳态求解。在这种情况下,尽量使用稳态模型和合适的亚松驰参数来模拟这些流体。但是,我们建议即使在这种情况也要使用时间相关求解器,该求解器每个时间步进行一次迭代,且其时间步大小可保证稳定运行。

① 求解器

a. 隐式非稳态,时间步为0.01s。

b. 分离流→速度→亚松弛因子为0.8。

c. 分离的VOF→单个步骤→亚松弛因子为0.1。

② 停止标准

a. Mmaximum physical time

b. Maximum Inner Iterations

10 报告、监视和绘图

为下壁面创建热通量报告、监视器和绘图,以评估稳态求解的收敛。

要创建报告、监视器和绘图:

① 右键单击报告→新建报告→流/能量→热传递。

② 将其重命名为热通量(下壁面)。

③ 选择热通量(下壁面)属性定义部件,选择bottom。

④ 右键选择热通量(下壁面)→根据报告创建监视器和绘图。

11 可视化和初始化求解

创建标量场景显示模拟结果,查看水蒸气体积分数和流体温度云图。这里不再赘述。

12 修改沸腾模型参数

Rohsenow 经验相关性用于计算沸腾时的表面热通量。指定此相关性的两个参数,即 C_qw 和 n_p。

在STAR-CCM+ 中,经验相关性用于计算沸腾时的表面热通量。已指定此相关性的两个参数,即 C_qw 和 n_p。这些经验相关性系数会随液面组合和表面光洁度的变化而变化。

假定下壁面是抛光铜表面,并为 C_qw 和 n_p 参数指定适当的值。

连续体→boiler→模型→多相交互作用 →相间相互作用 1 →模型→ Rohsenow 沸腾节点,然后将 C_qw 和 n_p 分别设为 0.0128 和 1.7。其余参数保留其默认值。

重新求解。

从上述场景可明显看出,C_qw 和 n_p 参数对壁面热通量和蒸汽体积分数的预测水平有显著影响。在此示例中,下壁面热通量被减半,导致产生的水蒸气低 5 倍。因此,确保使用正确值来反映液面组合和表面光洁度非常重要



来源:认真的假装VS假装的认真
Star-CCM+非线性多相流湍流UM材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-06
最近编辑:2月前
Shmily89
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