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Fluent算例精选｜03利用VOF和蒸发-冷凝模型进行传热沸腾分析

cfd入门到精通

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通过学习本算例您将获得？

1、学会基本的VOF模型设置流程

2、学会利用蒸发-冷凝模型来模拟传热沸腾

1 摘要

沸腾传热是热量从壁面传给液体，使液体沸腾气化到对流传热过程。本算例将演示如何用Fluent中的VOF模型和蒸发-冷凝模型来模拟传热沸腾。

2 传热沸腾模型介绍

图 1是传热沸腾模型三维示意图。容器为圆柱体，圆柱高40cm，底面直径为16cm，底部受热区域为圆形，圆心位置与圆柱底面圆心重合，直径为5cm。

3 前处理

在DesignModeler中建立模型，然后在Ansys Meshing中划分网格。圆柱底部受热区域为heatsource，类型为wall；底部其他区域以及圆柱侧面为wall_surface，类型为wall；圆柱顶面为top，类型为pressure_outlet。模型网格划分如图 2所示。

4 求解设置

4.1 启动Fluent

启动Fulent，将Dimension设置为3D，如图 3所示。

4.2 网格缩放

在DesignModeler中建模时默认采用m作为单位。为了进一步确保模型尺寸设置正确，建议打开scale来检查模型尺寸设置是否正确。如果不正确，通过设置缩放因子来设置。网格缩放设置如图 4所示。

4.3 求解器设置

将Solver Type设置为Pressure-Based，Solver Time设置为Transient，并勾选Gravity，设置x方向和y方向重力加速度为0，z方向重力加速度为-9.81m/s2。如图 5所示。

4.4 多相流模型设置

打开模型树中的【Model】→【Multiphase】，MultiphaseModel选用Volume of Fluid模型，Number of Eulerian Phases设置为3。其他设置保持默认。如图 6所示。

4.5 能量方程求解设置

打开模型树中的【Model】→【Energy】，勾选Energy Equation。如图 7所示。

4.6 紊流模型设置

打开模型树中的【Model】→【Viscous】选择k-epsilon模型，其余保持默认，设置如图 8所示。

4.7 添加材料

双击模型树中的【Materials】，在弹出的对话框右侧选择【Fluent database】，在Fluent Database Materials对话框中找到water-liquid，water-vapor项，单击下方copy选项。

4.8 多相流中相设置

打开模型树中的【Models】→【Multiphase】→【Phases】，设置Primary Phase的名称为air，材料为air，Secondary Phase的名称为water-liq，材料为water-liquid, Secondary Phase的名称为water-vap，材料为water-vapor。如图 10所示。

打开模型树中的【Models】→【Multiphase】→【Phase Interactions】，选择Mass选项卡，From Phase设置为water-liq，ToPhase设置为water-vap，Mechanism设置为evaporation-condensation。如图11所示。单击Edit，在弹出的Evaporation-Condensation Model对话框中设置Evaporation Frequency为0.2，Condensation Frequency为0.1，其他选项保持默认，如图 12所示。

4.9 操作条件设置

双击【Cell-Zone-Conditions】，点击Operating-Conditions。OperatingPressure保留默认值（国际标准大气压值）。设置ReferencePressureLocation为x=0m，y=0m，z=0m。勾选Specified Operating Density，设置Operating Density为0.5542。如图 13所示。

4.10 边界条件设置

4.10.1 heatsource边界条件设置

双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的heatsource，Momentum选项卡中设置保持默认，如图 14所示；Thermal选项卡中Thermal Conditions选择Temperature，Temperature设置为1873.15，其余选项保持默认。如图 15所示

4.10.2 wall_surface边界条件设置

双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的heatsource，Momentum选项卡中设置保持默认，如图 16所示；Thermal选项卡中Thermal Conditions选择Temperature，Temperature设置为1873.15，其余选项保持默认。如图 17所示

4.10.3 top边界条件设置

双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的top，在下方的TYPE中选择为Pressure outlet。Momentum选项卡中设置保持默认，如图 18所示；Thermal选项卡中设置保持默认，如图 19所示。

4.11 求解方法设置

打开模型树中【Solution】→【Methods】，将Scheme选择为PISO算法，其他选项保持默认。如图 20所示。

4.12 流场初始化

双击【Initialization】，将默认的Hybrid-Initialization改为Standard Initialization，注意Initial Values中将water-liq Volume Fraction和water-vap Volume Fraction设置为0，单击Initialize。如图 22所示。

单击SettingUpDomain工具栏选项卡中Adapt选项卡中的Mark/AdaptCells，在下拉菜单中选择Region。首先设置XMin为-0.1，X Max为0.1，Y Min为-0.1，Y Max为0.1，Z Min为0，Z Max为0.2，单击Mark。如图 23所示。

双击【Initialization】，单击Patch。Phase选择water-liq，Variable选择Volume Fraction，Registers to Patch中选中hexahedron-r0，然后将Value改为1，单击Patch。如图 24所示。

Phase选择mixture，Variable选择Temperature，Registers to Patch中选中hexahedron-r0，然后将Value改为365，单击Patch。如图 25所示。

4.13 计算自动保存设置

打开【CalculationActivities】→【Autosave】，设置Save Data File Every （Time Steps）为4，其余选项保持默认。如图 26所示。

4.14 求解

双击Run Calculation，设置Time Step Size为0.1，Number of Time Steps为1000，Time Stepping Method为Fixed，Max Iterations/Time Step为20。如图 27所示。

5 后处理

5.1 迭代残差曲线

迭代残差曲线如图 28所示。

5.2 云图显示

5.2.1 创建x=0平面

单击Setting Up Domain工具栏选项卡中Surface选项卡中的Create->Iso-Surface，Surface of Constant选择Mesh，X-Coordinate，Iso-Values设置为0，From Zones选择fluid，New Surface Name为Plane-4。如图 29所示。

5.2.2 体积分数云图

双击左侧树Results下的Contour，创建云图，Contour-of选择Phase的Volume fraction，Phase选择water-vap，Options中勾选Filled，Surfaces列表中选中plane-4，单击Save/Display，如图 30所示。显示结果如图 31所示。