水平非满管流蒸发沸腾模拟
笔者先前做了一个水平管非满管流动的案例，感兴趣的读者可以点击文末“阅读原文”查看相关内容。今天，我们继续做一个工程实际案例，水平管非满管流动的蒸发沸腾问题。 建立如下的三维管道模型，水从管道的下端口向上流，由于水流量不足以将整段水平管淹没，因此，水平管道的流动为非满管流，注意我们定义-z方向为重力加速度方向。另外，我们将自下而上第一个弯头（包括）往后的管道壁面单独命名，方便后续的边界条件设置，因为这部分管道为加热炉内的受热面。划分多面体网格，单元数约为16.8万，最小正交质量0.4。 该流动问题受重力决定性影响，因此要考虑重力加速度。 该问题需要捕捉液面，因此我们采用常用的VOF多相流模型。主相和次相分别设置为液态水和水蒸气，均采用软件默认的材料。蒸发沸腾模型我们采用软件自带的Lee模型，蒸发凝结系数均设置为100/s，饱和温度取100℃。 入口设置为速度入口边界，速度0.00921m/s，温度26.85℃，液态水的体积分数100%。注意到流速很小，按管径计算的雷诺数小于2000，竖直管的流动应该是层流，但是考虑到水平段的相变，水变成蒸气后密度降低，流速会剧烈增加，因此整个计算域我们统一考虑湍流影响。 出口设置为压力出口，表压为0Pa，回流为100%水蒸气，并且我们考虑一定的过热度，在计算的初始阶段，可能难以避免产生回流，此时计算的准确性将受到影响，因为这个回流参数是猜测的。随着计算的继续进行，回流会消失，此时猜测回流参数不起作用。 水平受热段管道壁面我们设定为辐射边界，因为电加热炉内部环境的均匀性还是相对较高的，壁面的换热机制主要是辐射换热，其次还有对流换热。这里我们仅考虑辐射换热，并将外部发射率激进地设置为1，炉膛温度600℃。 瞬态求解，时间步长取0.0001s~0.001s之间，视收敛情况动态调整，对于这类相变问题，很容易突然发散。 按如下值进行初始化，也就是整个管道的初始状态。表征的是整段管道温度26.85℃，全部是水蒸气，流体静止，在某一时刻突然放到600℃的环境中，并在同一时刻开始通水。这个初始状态是不能和实际情况一一对应的，但是我们更关注后续接近稳态的结果，因此影响不大。 我们先看一下出口的质量流量随时间变化情况，35s之前由于出口存在回流，因此质量流量是大幅振荡的，随着后面出口回流消失，流量的振荡幅度大幅降低，这时的振荡来自于两相流动。在计算至60s之后，出口流量趋于平缓，接近于入口流量（0.001596kg/s），认为此时基本接近稳态。 接近稳态之后的管道内液面及速度如下图，液面高度随着流动方向降低，这符合实际情况，因为液态水边流动边蒸发成水蒸气。 我们看一下出口的液体体积分数，管道底部还聚集一部分水，也就是说水并没有完全蒸干，但是需要注意的是底部壁面附近已经接近完全蒸发，这也可以从出口的混合物密度分布看出来。 我们看一下出口的温度分布，管道底部温度最低，上部温度最高，并且是过热蒸汽状态。 最后看一下出口的速度分布，流动边界层以外，管道下部的速度显著低于上部，这符合实际情况，下部还有液态水，流动慢，上部为过热蒸汽，流动明显更快。 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：2023-07-06
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