VirtualFlow │ 界面跟踪技术的气泡成核与传热CFD数值仿真

 

单相流形式下的不可压缩流体动力学和传热方程为：  

在Level-set方法中，相间界面用连续函数φ表示，φ表示到界面的距离，该距离一侧为正，另一侧为负：  

其中传质速率满足  

此外，φ作为跨界面的连续函数有助于确定界面的法向量，从而确定定义表面张力所需的表面曲率κ=-∇φ/|∇φ|，

其中γ是流体的表面张力。引入上式的最后一项是为了模拟与温度或表面活性剂浓度引起的表面张力系数变化率有关的马兰戈尼效应。  

这里在动量方程中增加了三线力，提供了对润湿表面的物理充分描述。在VirtualFlow中使用的三线力是基于对界面自由能的考虑，其只与两个参数流体有关：界面张力γ和平衡接触角θ：  

其中b是垂直于三线且平行于壁面的单位向量。

图2 模态沸腾验证：密度比为40的流体在1k过热(上)和水在6k过热(下)的计算结果  

表1 膜态沸腾的流体特性  

这里给出的验证算例中的流体性质如表1所示。计算域尺寸为λ×3λ，其中为最不稳定的泰勒波长。因此，计算域尺寸设置为0.078684m×0.226m，覆盖有64×192个单元格(图3)。上边界为压力出口，左右边界为周期边界，下边界为5K过热壁面，Jacob数为8.0。壁面附近的网格距离较小，用以分辨蒸汽薄膜。当气泡形成时，气泡薄膜的厚度会变窄，壁面附近的网格分辨率需要保证薄膜厚度至少大于一个网格的厚度。采用的最小网格尺寸为0.59mm。用基于最不稳定泰勒波长的薄膜厚度初始化计算域。液-汽界面设定为饱和温度。蒸汽区域初始化时在两相界面的饱和温度和壁面过热温度之间采用线性温度曲线过渡。对流项离散方案采用HLPA。压力的收敛准则为10^(-6)，其他变量的收敛准则为10^(-4)。CFL数限制在0.2和0.3之间。工况的特征值与无量纲数为：l=2mm, u=0.14m/s, t=0.014s, Pe=0.56, Re=0.56, We=0.0784。

结果如图3所示。图3中的时间序列为：(自左上到右上，左下到右下分别为)0.42秒，1.3431秒，1.4207秒，1.4947秒，1.5734秒，1.6370秒。图3展示了一个准稳定气泡释放的完整周期。第二幅图片（上中）展示了处于气泡释放过程起点的情况，可以再次在第五（下中）和第六（下右）幅图片间某时刻重复出现。整个模拟过程显示出准稳态气泡释放模态下的三次气泡释放过程。三个周期的平均释放周期用时约为0.26s。