圆管内流动沸腾压力波动特性模拟
笔者先前使用管式蒸发器和板式蒸发器制备高温水蒸气时,均遇到水蒸气流量不稳定或者说压力不稳定的情况,监测到出口的水蒸气以及管内压力出现明显的波动,而且波动分为高频和低频。高频的波动幅值较小,但是非常频繁;低频的波动幅值很大,但是间隔较长一段时间才会出现(如下图)。 这种压力波动应该是由沸腾相变引起的,与气泡的形成与破灭有着非常紧密的联系,而且波动具有混沌性,与质量流率以及加热功率息息相关。今天,我们用一个简单的案例来模拟复现一下这种压力波动情况。 建立如下的二维轴对称管道模型,管道长100mm,内径Φ4mm,划分四边形网格,节点数6321。管道内的介质为液态水和水蒸气,入口液态水的速度0.05m/s,温度372K(略低于常压下饱和温度373.15K),管壁为恒温420K。 该问题需要用两相流,由于涉及到气泡的生成破裂,因此采用VOF模型,准确捕捉两相界面。主相为液态水,次相为水蒸气。两相之间的传热传质采用默认的蒸发冷凝模型(该模型与网传的那个UDF是一样的)。由于蒸发冷凝相变频率未知,采用默认的0.1。 按上述边界条件设置入口、出口和壁面边界。出口压力设置为表压0Pa,我们监测入口的压力情况以表征管道的压力波动。 压力速度耦合我们采用SIMPLE算法,本案例涉及的剧烈相变问题在计算时可能会出现发散,需要调整亚松驰因子,或者用更小的时间步长。经过多次调试,以下的亚松驰因子设置可能合适。 另外,采用了自适应时间步长,这个设置有个不好的是不便于FFT变换,假设需要对压力数据进行频域分析时,还是用固定时间步长吧。总而言之,沸腾相变模拟需要多次尝试才能获得稳定得数值解。 我们看一下某个时间段的压力曲线,可以看出压力波动非常明显,存在相对高频和低频的信号。 再看一下某个时刻的速度、温度和水蒸气体积分数云图,介质的流动状态不稳定。 某个时间段出口的水蒸气体积分数曲线如下,与水蒸气体积分数云图对应,表现为水蒸气的不连续性。当然,由于管道较短,出口还是偶尔有液态水。增大管道长度,可使得出口为持续100%水蒸气。另外,可读取进出口质量流量进行对比,各个时刻的质量流量未必一致。 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:2022-08-15
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