FLUENT液态水闪蒸模拟

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正文共： 1376字 9图预计阅读时间： 4分钟

1 前言

有一个经典的热力学实验，当对一个盛有水的活塞进行抽拉时，里面的液态水可能发生沸腾。这就是著名的闪蒸（flash evaporation）现象，闪蒸指的是液体在压力骤降时，因沸点降低而瞬间部分汽化的过程，其本质是系统从非平衡态向气液两相平衡态的快速转变。闪蒸发生的根本条件是压力骤降，因为压力降低时，饱和温度降低，当液体温度高于饱和温度时，就会发生相变。因此，我们可以知道，当压力降低越大，同时液体初始温度越高时，闪蒸越容易发生。今天，我们用一个简单的案例来演示一下这个闪蒸现象。

2 建模与网格

创建一个100mm×100mm的二维平面模型，划分四边形结构化网格，单元边长1mm。

3 边界条件与求解设置

这个案例的核心在于动网格技术，我们将顶部壁面设置为刚体运动面，表征活塞的运动，两侧设置为变形面，变形方向为y向，底部为静止壁面。

由于该运动符合铺层网格特点，因此采用铺层动网格（layering），用DEFINE_CG_MOTION宏定义运动速度，UDF代码如下。

DEFINE_CG_MOTION(moving,dt,vel,omega,time,dtime){if(time<=0.2)vel[1]=0.;else if(time<=1.0)vel[1]=(time-0.2)*0.02/0.8;else vel[1]=0.;}

介质为液态水和水蒸气，采用VOF和Lee模拟气液相变过程，液态水为主相，水蒸气为次相，该相变模拟的核心是随压力变化的饱和温度以及气体的可压缩性，我们采用的是安托因方程（Antoine equation）描述水的饱和温度和压力的关系，UDF代码如下。我们暂忽略了表面张力等更为细节的两相流设置，因为我们仅仅关心相变过程。我们采用理想气体模型简化模拟水蒸气的可压缩性。

DEFINE_PROPERTY(saturation,c,t){real p_ab;real p_op=RP_Get_Real("operating-pressure");real t_sat;p_ab=p_op+C_P(c,t);t_sat=1730.63/(8.07131-log10(p_ab/133.322))-233.426+273.15;C_UDMI(c,t,0)=t_sat;return t_sat;}

由于相变的发生很快，因此我们忽略了壁面和外部环境的换热，设置为绝热壁面。

开启重力选项。

采用如下值进行初始化，并采用patch方式设定60%初始液位，如前所述，更高的初始温度更容易闪蒸，因此本案例的初始状态为接近饱和的过冷水。瞬态求解，时间步长0.001s。

4 计算结果

我们先看一下抽活塞过程中，内部的压力和饱和温度情况，我们定义了0.2s到1s内活塞都是运动的，速度线性增加，到1s时停止运动，在这个过程中饱和温度随压力的降低而降低，后续活塞停止运动，闪蒸产生的水蒸气将内部压力抬高至一定程度后基本稳定下来。

我们看一下水蒸气的质量曲线，可以看到发生约在0.7时就开始发生了闪蒸，看前文饱和温度曲线，此时的饱和温度降低到了液体温度以下。

我们再看一下抽取活塞所需的力，可以看出这个力还是相当大的，读者朋友可以试着拿一个注射器模拟一下。

发生闪蒸后某个时刻的气液两相体积分数云图如下。

来源：仿真与工程

FLUENT遮热板模拟

正文共： 994字 12图预计阅读时间： 3分钟1 前言遮热板（radiation shield）指的是插入两个辐射传热表面之间用以削弱辐射传热的薄板，根据传热学教材所述，在发射率为0.8的两个平行表面之间插入一块发射率0.05的遮热板，可以使辐射热量减小到原来的1/27。当一块遮热板达不到使用要求时，可采用多层遮热板。在SOFC系统集成技术领域，遮热板可以用来做热分区，因为SOFC设备部件运行温度很高，辐射热量很大，比较容易用遮热板控制分区。今天，我们做一个简单的案例演示一下遮热板的效果。2 建模与网格在ICEM创建如下的二维平面模型，两个封闭的空气腔体，左侧在腔体中心放置一块金属板作为遮热板，材质按默认的铝考虑，右侧腔体没有遮热板，比较两个腔体的传热量。划分四边形结构化网格。3 边界条件与求解设置这是典型的封闭腔体内对流辐射换热问题，因此需要打开辐射模型，本案例我们采用S2S模型。建议在角系数设置里面先将所需的s2s文件计算并保存，往后直接随计算文件打开。腔体内采用默认的空气介质，密度采用Boussinesq模型，这个模型对于自然对流计算具有更好的收敛性，但是使用条件有限，由于温度变化引起的密度变化不能太大，比如不能超过25%。这里需要特别指出一个问题，实际上腔体内整体温度上升的话，内部压力是会增加的，我们忽略这个升压过程，否则就必须用可压缩密度模型了。开启重力选项。腔体左侧为对流边界，环境温度默认值，对流换热系数10W/m2K，表面发射率设置为1。腔体右侧为恒温壁面，温度100℃，表面发射率设置为1。腔体顶部和底部都设置为绝热面，表面发射率1。左侧腔体遮热板的各面均为流固耦合面，我们设置不同的内部发射率来表征不同性能的遮热板，发射率分别设置1和0.1两组。稳态求解4 计算结果计算迭代残差曲线如下，收敛性良好。我们看一下两个腔体左侧的平均温度，显然，插入遮热板后，由于遮热板阻挡了部分辐射热量，左侧腔体的温度显著低于没有遮热板的情况。我们看一下腔体的热平衡情况，没有遮热板时，腔体总传热量152W；插入遮热板后，腔体总传热量136W，减少了10.5%，这还是遮热板表面发射率为1的情况（黑体）。同时我们也可以看到，辐射换热量占总换热量比重达到66%-75%以上。我们修改遮热板的发射率为0.1，腔体左侧的温度进一步降低。此时的热平衡情况如下，可以看出腔体的传热量进一步降低到119W。参考文献[1] 传热学（第四版）.来源：仿真与工程