Fluent案例｜膜状沸腾UDF
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本文摘要（由AI生成）：
本文基于Fluent软件，通过修改UDF模拟膜沸腾现象。计算区域设定并初始化温度分布，设置多相流、能量方程及材料属性。UDF用于定义质量源项与能量源项，并编译加载。边界条件、计算方法及监测变量设置后，进行计算并监测气相体积分数及壁面Nusselt数变化。案例简化了附壁气膜形成过程，直接初始化气膜。提供了UDF代码及相关理论背景。
本案例演示在Fluent中利用UDF模拟膜状沸腾现象。
膜状沸腾：在一些换热问题中，当加热壁面的温度远远高于与壁面接触的液体的饱和温度时，此时整个壁面浸泡在蒸气中，同时在汽液界面发生沸腾传质，周期性地产生气泡并向上排放的现象。膜状沸腾会导致传热效率下降，对换热不利。
”
本案例中的数据来自Fluent官方案例，对原始UDF进行了修改。
1 问题描述
本案例中要解决的问题如下图所示。
本案例利用UDF定义质量源项与能量源项来模拟膜沸腾现象。计算区域宽0.0389 m，高0.1168 m。介质的饱和温度 K，计算区域底部壁面的温度为510 K。初始时刻，沿Y方向给定一个从Twall到TSAT的线性分布温度，利用下面的函数表达式进行指定：
计算结果如下图所示。
2 Fluent设置
以2D、Double Precision方式启动Fluent 利用菜单File → Read → Mesh… 读取网格文件filmBoil.msh.gz
2.1 General设置
选择Transient进行瞬态计算 指定重力加速度为Y轴方向-9.81 m/s2
2.2 Models设置
多相流模型选择 采用VOF多相流模型 采用Explicit格式 激活选项Implicit Body Force
激活能量方程
采用Laminar层流模型
2.3 Materials设置
创建两个新材料liquid及vapor，材料属性如下图所示。
液相材料参数
气相材料参数
image-20220106133257873
2.4 设置相
指定气相为主相
指定液相为次相
激活选项Surface Tension Force Modeling，设置表面张力系数为0.1 N/m
2.5 编译UDF
右键选择模型树节点User Defined Functions，点击弹出菜单项Compiled… 打开编译对话框
编译源文件boiling.c并加载
UDF中使用了3个UDM，这里需要先设置UDM数量。
点击Memory… 按钮打开UDM设置对话框
指定UDM数量为3
点击按钮Function Hooks… 打开设置对话框
如下图所示，添加初始化及Adjust的UDF
2.6 设置计算区域
按下图所示顺序添加混合相的能量源
添加气相的质量源
添加液相的质量源
2.7 设置边界条件
设置边界heat的温度为510 K
设置出口边界outlet的静压为0 Pa
设置回流温度500 K
设置出口液相回流体积分数为1
2.8 Methods
如下图所示设置Methods
2.9 初始化
全局初始化，指定温度为500 K
右键选择模型树节点Custom Field Functions，点击弹出菜单项New…
如下图所示创建函数temp-profile，定义为 510-y*10/0.1168
Patch整个区域的温度为temp-profile
2.10 监测变量
监测壁面heat的Nusslet数
监测整个计算区域的气相体积分数
指定参考值，用于Nusselt数的计算
2.11 进行计算
指定时间步数为4000，时间步长为0.001 s，进行计算
监测得到的体积分数随时间变化
监测得到的壁面Nusselt数随时间变化曲线
3 计算结果
计算结果如下图所示
案例实际上是投机取巧了的，事实上膜状沸腾模拟最困难的地方是附壁气膜的形成过程，这里直接将气膜以初始化的形式直接给定了。
4 相关理论及UDF代码
气相质量源的一般表达形式为：
式中，为通过界面的单位面积的热通量，下标与分别表示气相与液相；为潜热。
这样可以得到气相质量源为：
由于计算域内没有内部质量源，因此液相质量源为：
能量方程的潜热源变为：
界面属性包括表面张力系数0.1 N/m，潜热1e5 J/kg，饱和温度 K。
案例模型的长度尺度是泰勒-罗利不稳定性最危险的波长：
速度尺度为：
因此时间尺度为：
计算域水平宽度为，垂直高度为，网格分辨率为64(水平方向)×192(高度方向)。
汽液界面的初始形状必须受到扰动才能启动气泡的生长。因此，采用一个初始化UDF宏，利用气体填充所有满足以下条件的网格：
式中，为坐标，单位为米。
Nusselt数是表征沸腾换热的一个重要的无量纲值，其定义为：
由于该问题的时间尺度为0.1s，因此时间步长为0.001，即100个时间步长分辨率。总而言之，这个问题应该运行大约1200个时间步才能捕捉到第一个气泡排放。
一些代码注释如下所示。
#include "udf.h"
#include "sg.h"
#include "sg_mphase.h"
#include "flow.h"
#include "mem.h"
DEFINE_ADJUST(area_density, domain)
{
Thread *t;
Thread **pt;
cell_t c;
//混合相中循环
mp_thread_loop_c(t, domain, pt) if (FLUID_THREAD_P(t))
{
//利用P_PHASE得到主相的Thread指针,P_PHASE宏的值=0
Thread *tp = pt[P_PHASE];
begin_c_loop(c, t)
{
//计算得到$\namda T \cdot \nabla α$，并将其存储在UDM中方便后面调用
C_UDMI(c, t, 0) = (C_VOF_G(c, tp)[0] * C_T_G(c, t)[0]
C_VOF_G(c, tp)[1] * C_T_G(c, t)[1]);
}
end_c_loop(c, t)
}
}
//气相质量源
DEFINE_SOURCE(gas, cell, thread, dS, eqn)
{
real x[ND_ND];
real source;
Thread *tm = THREAD_SUPER_THREAD(thread);
Thread **pt = THREAD_SUB_THREADS(tm);
//得到k_lα_l k_gα_g
real Kl = C_K_L(cell, pt[1]) * C_VOF(cell, pt[1]),
Kg = C_K_L(cell, pt[0]) * C_VOF(cell, pt[0]);
real L = 1e5;
// 根据公式计算得到质量源，这里引用了前面的UDM变量
source = (Kl Kg) * C_UDMI(cell, tm, 0) / L;
//将质量源存储在UDM中方便后面调用
C_UDMI(cell, tm, 1) = source;
// 顺便计算能量源（等于质量源于潜热的乘积），存储在UDM中后面调用
C_UDMI(cell, tm, 2) = -source * L;
// 无法保证负斜率，干脆直接赋零
dS[eqn] = 0;
return source;
}
//液相质量源，利用UDM值进行指定
DEFINE_SOURCE(liquid, cell, thread, dS, eqn)
{
real x[ND_ND];
real source;
Thread *tm = THREAD_SUPER_THREAD(thread);
Thread **pt = THREAD_SUB_THREADS(tm);
source = -C_UDMI(cell, tm, 1);
dS[eqn] = 0;
return source;
}
// 计算能量源
DEFINE_SOURCE(energy, cell, thread, dS, eqn)
{
real x[ND_ND];
real source;
Thread *tm = thread;
source = C_UDMI(cell, tm, 2);
dS[eqn] = 0;
return source;
}
//给底部初始化了一层气体区域
DEFINE_INIT(my_init_function, domain)
{
Thread *t;
Thread **pt;
Thread **st;
cell_t c;
real xc[ND_ND], y, x;
mp_thread_loop_c(t, domain, pt) if (FLUID_THREAD_P(t))
{
Thread *tp = pt[P_PHASE];
begin_c_loop(c, t)
{
C_CENTROID(xc, c, t);
x = xc[0];
y = xc[1];
if (y < 0.00292 0.0006 * cos(6.283 * x / 0.0778))
C_VOF(c, tp) = 1;
else
C_VOF(c, tp) = 0;
}
end_c_loop(c, t)
}
}
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