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水管道内结冰模拟

1年前浏览2828

1 前言

寒冷的冬季，水管容易发生结冰，倘若冰层足够厚，由于冰的密度低于液态水，管道内部膨胀，有可能将管道撑破。今天，我们做一个水管道内部结冰的案例。

2建模与网格

建立如下二维轴对称管道模型（图示进行了对称显示），管道内径Φ40mm，长度1m，管道中间部分有一段长度为300mm的低温段。划分四边形结构网格，单元数6986。

3 边界条件与求解设置

采用默认的SST k-ω湍流模型。

启用凝固/融化模型，模糊区常数mushy zone parameter（Amush）采用默认值，Amush是凝固/融化模型的一种关键参数，默认推荐值为10⁴~10⁷之间，可适用于大多数计算。该值越大，当发生凝固时，流体速度越快降低到零，如果设置得过大，可能引起计算振荡。Fluent在处理凝固融化问题时，不对固液交界面进行时刻捕捉，而是采用焓-孔隙率的形式进行迭代计算。该模型将固液模糊区视为“伪”多孔介质，将液相体积分数（liquid fraction）视为孔隙率，当温度低于固相线温度时，体积分数为0表示完全凝固，并且液相的速度降低至零。

介质采用默认的液态水，凝固和融化温度均为0℃。设置相变潜热335000J/kg，注意这里我们将导热系数设置为水的常值0.6W/m℃，实际上冰的导热系数应该显著高于水，因此采用UDF分别定义水和冰的导热系数更为合适。

低温壁面设置为恒温面，温度-10℃，其余壁面为绝热面。

入口设置为速度入口，温度1℃

出口设置为压力出口，表压为0Pa。

注意该问题要用瞬态求解，采用稳态求解难以收敛，经过调试，时间步长我们选择0.01s。

我们创建两个监视器，分别监视入口静压力以及管道内的液体体积分数，用以判断计算是否达到稳态。

4 计算结果

在计算时间内，入口静压力以及管道内部液体体积分数随时间变化曲线如下，可以认为该计算达到了稳态。

入口速度为0.5m/s时，管道内液体体积分数云图如下，可以看出结冰厚度并不高。

入口速度为0.5m/s时，管道内液体体积分数为0.9957，可以看出结冰并不严重。

我们另算一个工况，入口速度为0.1m/s，此时管道内液体体积分数小于0.9747，也就是水流速降低后，在相同的温度下，结冰愈发容易，本案例并未继续计算，而且随着结冰的加剧，需要更小的时间步长才有较好的收敛性（如下图）。

最后，我们再计算一个工况，速度还是0.5m/s，但是低温壁面的温度为-20℃，此时管道内液体体积分数小于0.9878（本案例未继续计算至稳态），且由于结冰加剧，入口的压力也增加，相当于管道内发生了堵塞，符合实际情况。

来源：仿真与工程

Fluent 多孔介质 UDF 湍流

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首次发布时间：2023-07-06

最近编辑：1年前

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