Fluent沸腾模拟总结

本文描述Fluent仿真计算壁面沸腾问题的一般设置步骤。

在Fluent中使用沸腾模型，存在以下限制：

• 该模型只能与Eulerian多相流模型一起使用
• 该模型只能在压力基求解器下使用

1 激活沸腾模型

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase打开多相流模型设置对话框
• 选中Eulerian多相流模型
• 选择Boiling Model模型
• 选择子模型RPI Boiling Model, Non-equilibrium Boiling或Critical Heat Flux
• 设置Number of Eulerian Phases。可以由两相组成：液相与其沸腾后的蒸汽相，也可以包含非沸腾相。

注意：

• 若要包含液相体积分数效应，可以使用TUI命令solve/set/multiphase-numeric/boiling-parameters/liquid-vof-factor。当此选项被激活时，沸腾模型的换热系数将会与当地液相体积分数相乘。
• 若要包含薄膜效应，可以使用TUI命令solve/set/multiphase-numeric/boiling-parameters/thin-film
• RPI沸腾模型仅适合于过冷沸腾；非平衡沸腾模型可以允许蒸气被加热到高于饱和温度；CHF模型允许考虑流型变化。

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2 激活能量方程

当沸腾模型被激活时，能量方程会被自动打开。

3 设置操作条件

在操作条件设置对话框中激活重力加速度与操作压力。沸腾模拟通常都需要开启重力加速度以考虑蒸汽相的浮力。

4 湍流模型

选择与Eulerian模型兼容的湍流模型。

5 材料介质

指定液相、汽相以及其他相的材料介质参数。

对于液相与蒸汽相，需要指定Standard State Enthalpy以计算相变潜热。为方便计算，常将液相的标准状态焓设置为0，而将汽相的标准状态焓指定为相变潜热与分子量的乘积。

6 定义相

通常指定液相为主相，指定蒸汽相为次相。在相定义对话框中，指定汽相粒径为boiling-dia。也可以将粒径指定为常数或UDF。

7 指定相间相互作用

7.1 指定相间动量传递

打开Phase Interaction标签页，打开下方的Force子标签页，设置参数。

• 指定Drag Coefficient。对于沸腾流动，通常选用Ishii模型
• 指定Lift Coefficient。沸腾流动通常指定tomiyama模型
• 指定Wall Lubrication。沸腾选用antal-et-al模型
• 指定Turbulent Dispersion，沸腾选用lopez-de-bertodano模型
• 指定Turbulence Interaction，沸腾选用troshko-hassan模型
• 指定virtual Mass Coefficient，一般采用默认值0.5
• 指定Surface Tension Coefficient，可以使用常数表面张力系数

注：除了阻力模型必须选择外，其他相间力模型可以根据实际情况考虑是否需要包含。

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7.2 指定相间界面面积

进入Interfacial Area标签页，设置参数。

• 指定Interfacial Area参数，对于沸腾模拟，可以选用ia-symmetric或ia-particle模型

7.3 指定相间传热

进入Heat，Mass，Reactions下Heat标签页，指定模型参数。

• 指定Heat Transfer Coefficient，沸腾模拟通常采用ranz-marshall模型

7.4 指定相间传质

进入Mass标签页，指定模型参数。

• 指定Number of Mass Transfer Mechanisms参数
• 指定From Phase及To Phase，设置From Phase为液相，设置To Phase为汽相
• 选择Mechanism为boiling，软件弹出沸腾模型设置对话框

7.5 指定沸腾模型参数

沸腾模型设置对话框如图所示。

• 指定参数Interfacial Model Constants，该参数默认值为1。若使用RPI模型，则无需指定参数Vapor-Interface Transfer Coeff，因为汽相温度固定为饱和温度。
• 指定参数Saturation Temperature。该参数可以为常数，也可以指定为压力的函数，包括polynomial、piecewise-polynomial及piecewise-linear，需要注意若将饱和温度指定为压力的函数，则必须确保压力为绝对压力（指定参考压力为零）
• Bubble Departure Diameter。5种选项可供选择：tolubinski-kostanchuk (默认模型), unal, kocamustafaogullari-ishii, constant及user-defined。通常情况下采用默认参数。
• Frequency of Bubble Departure。可以选择cole模型，也可以指定常数。
• Nucleation Site Density。可以指定lemmert-chawla（默认选项）、kocamustafaogullari-ishii及user-defined。

注：在使用kocamustafaogullari-ishii模型时，通常将其同时用于Bubble Departure Diameter及Nucleation Site Density。

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• Area Influence Coeff.。可以指定为delvalle-kenning模型，也可以指定为常数，或使用UDF进行定义
• Quenching Model Correction描述壁面热流分配中的淬火项。壁面热流分配中的中的淬火项以T为周期，模拟了气泡破裂后填充壁面附近液体的循环平均瞬态能量传递，其表达式为:

式中，为液相热导率，为时间周期，为液相扩散系数。为Bubble Waiting Time Coefficient，用于修正连续气泡脱离的间隔时间，其默认值为1，可以修改该参数，不过只能设置为常数。

从上式可以看出，淬冷模型严重依赖于液相温度变量，这导致其计算结果依赖于网格。为了解决此问题，Fluent提供了两种方式：Fixed Yplus Value及Fixed Liquid Temperature。

注意：当远离壁面的区域的计算温度低于操作温度Operating Temperature(在工作条件对话框的Boussinesq参数组框中设置)时，求解器使用操作温度进行淬火校正。

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若想要使用校正模型，可在面板中激活选项Correction Model。

• 根据Egorov and Mentor^[1]的建议，若要使用壁函数的对数形式来估计固定Yplus值时的液体温度，可以选择选项Fixed Yplus Value，而不是使用近壁网格中的液体温度值。输入参数Minimum Reference Temperature，该参数限制液相温度的最小值，该温度值不应低于液体入口温度。指定一个Yplus值。默认设置为250。
• 如果选择Fixed Liquid Temperature，需要指定参数Liquid Reference Temperature为standard, constant, or user-defined。同时还需要输入Minimum Reference Temperature，该温度通常应设置为入口液体温度和饱和温度之间值，用于计算淬火热流。

也可以使用UDF宏DEFINE_BOILING_PROPERTY指定这些参数。

8 指定边界条件

对于淬火壁热通量，Koncar等^[2]提出，为了在计算淬火传热时避免网格依赖，必须使用一个将固定归一化距离(y  = 250)的温度与近壁单元温度联系起来的因子。

与壁面沸腾模型相兼容的壁面边界包括：等温壁面、指定热流以及指定换热系数。

薄壁模型不能用于沸腾模型。

9 求解方法

• 通常选用Coupled作为pressure-velocity coupling scheme。尽管Phase Coupled SIMPLE选项也可以选用，不过该方法稳健性较差，不建议用于稳态沸腾或传质问题中。
• 设置Controls参数
• Courant Number：建议使用1~20，首次计算使用10
• Explicit Relaxation Factors：使用默认值1
• Vaporization Mass：使用松弛因子0.5~1，首次计算使用1
• Volume Fraction：使用松弛因子0.3~0.5
• Turbulent Kinetic Energy：使用松弛因子0.3~0.8
• Turbulent Viscosity：使用松弛因子0.5~1.0
• Energy：使用松弛因子0.5~0.8

参考文献