ANSYS Fluent 管内相变化流动实例

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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传统热传主要通过「传导」、「对流」、「辐射」等机理进行，或以此三种型态混合交互传递。随着状态改变的热传递过程，称之为相变(Phase Change)(如沸腾的水吸收汽化热后变成蒸气，水凝固成冰或冰融化成水等)；工程上许多应用都会发生不只一个相的传热过程，例如冷凝器、热管及热交换器等。

本例针对应用制作模型，通过ANSYS Fluent仿真软件中多相流模块VOF及Evaporation-Condensation来实现背景为空气的液态水，受热后形成水蒸气的相变化过程。

模型如下。相变化为一瞬态仿真过程，我们启动ANSYS Fluent Transient选项及定义Gravitational Acceleration重力方向，并启动能量方程式Energy。

计算多相流动，我们开启ANSYS Fluent中的多相流(Multiphase Model)模块VOF，并采用Explicit。

Explicit实行Geo-Reconstruct离散方法，其特征如下：

网格质量的要求较Implicit为高
考虑表面张力(Surface Tension)问题时，较Implicit具备更高的准确性
Explicit及Implicit皆可设置稳态及瞬态计算，但考虑准确度及稳定性，Explicit建议仅用于瞬态
提升稳定性方面，Explicit时间步长控制采Courant Number, CFL方法，稳定性较Implicit高

CFL定义如下：

上述分子为前后时间步长变化率，分母为网格大小与当下速度的比值。也就是说，设置的时间步长越小，CFL会越小；单网格尺寸控制越小，CFL会越大；流动变化速度越小，CFL则会越小。

默认CFL限制为0.25，每次时间步长迭代都会监测当下CFL的数值，在ANSYS Fluent Console窗口中会显示该数值。若CFL超过0.25，尤其超过25以上，则每一次跌代都会耗费巨量时间，最终很可能超过最大限制250而发散。建议当CFL超过两位数以上，务必修正CFL的参数，特别是可以从时间步长改小先进行。

在VOF中，我们设置Number of Eulerian Phases为3；包含了背景空气(Air)、液态水(Water-Liquid)及气态蒸气(Water-Vapor)三个相。你可以从Fluent材料设置库中搜寻到这些材料作为分析使用。

管内流动勾选表面张力模块。

液态水变化至蒸气的机制选择Evaporation-Condensation模块。Evaporation-Condensation可计算液态质量变化传递至气态的模型，Lee Model已将水的相变化模型自带导入ANSYS Fluent中，你可设置水的饱和温度为373K，及沸腾温度，或更详细地设置环境饱和蒸汽压力及饱和温度的关系。

加热壁面：本例模型为加速蒸发沸腾现象，给予一较高的热通量做加热用。

设置初始水量：ANSYS Fluent通过Patch功能对水量位置及大小做设置。

首先我们在Solution/Initialization中给予放入液态水之前的工况状态，如温度/压力等状态...

当点击Initialize后，右侧Patch便唤起可作设置；进行Patch前，需先对液态水的位置跟大小作设置后，才能Patch于指定区域。

在Domain/Adapt/Cell Registers/New/Region中，输入我们要实现液态水体积的坐标位置。

通常我们会选择采Inside来设置，输入的X, Y, Z坐标范围仅有在计算域内的才会建立出，因此，我们可大胆地把范围设定在模型的极限坐标之外。

上述完成后，我们点击Patch进行设置。

本例进行Patch的目的是要将已经设定好的水，放入我们模型中做分析，在Registers to Patch内选region_0 (这是上面所建立出来的区域)，Phase选Water，并点击Volume Fraction设置Value=1.0(百分之百的水)。通过此法，我们可将设计好的多相流区域(通常是液态)指定好状态及数值，予以导入。

瞬态仿真一般会进行固定时间节点的结果汇出，Solution/Calculation Activities/Autosave (Every Time Steps)可设定多少Time Step做汇出Data的动作；若模型涉及到动态网格或滑动网格，那么会连同Case需要一并汇出。详细的汇出技巧与后处理有关，我们后续会有数个后处理培训做说明。