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fluent中的沸腾模型(1)-RPI模型

5月前浏览8005

本文摘要(由AI生成):

本文介绍了“过冷沸腾”现象,其中液体平均温度低于饱和值但壁温足够高以产生沸腾。能量从壁面传递到液体,部分能量提升液体温度,部分产生蒸汽。基于RPI模型,壁面沸腾被分为对流、淬火和蒸发三种热流。利用ANSYS Fluent和欧拉多相模型,结合Kurual和Podowski的RPI形核沸腾模型以及Lavieville等人的扩展式,模拟了壁面沸腾现象。模型考虑了动量、质量和热量的界面传递以及沸腾流中的湍流模型,适用于等温壁面、指定热流和耦合壁面边界。文中还详细讨论了影响区域、成核位置密度和气泡分离直径等关键参数的封闭方法。


“过冷沸腾”是用来描述这样一种物理情况:即使液体的体积平均温度小于饱和值,但壁温高到足以导致壁上发生沸腾。在这种情况下,能量直接从壁面传递到液体。这些能量的一部分会使液体的温度升高,另一部分会产生蒸汽。相间传热也会导致液体平均温度升高,而饱和蒸汽冷凝。此外,一些能量可以直接从壁面转移到蒸汽中。这些基本机制是所谓的伦斯勒理工学院(RPI)模型的基础。

在ANSYS Fluent中,在欧拉多相模型的基础上建立了壁面沸腾模型。多相流动由相连续性守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程控制。采用 Kurual 和 Podowski 的RPI形核沸腾模型和Lavieville等人的扩展式对壁面沸腾现象进行了建模。该壁面沸腾模型适用于三种不同的壁面边界:等温壁面、指定热流和指定传热系数(耦合壁面边界)。
如下面所描述的,已经考虑了动量、质量和热量的界面传递以及沸腾流中的湍流模型。




01RPI模型




根据RPI基本模型,将壁面到液体的总热流分为对流热流、淬火热流和蒸发热流三部分:
 
被加热的壁面细分为被成核气泡覆盖的区域A_b和被流体覆盖的部分1-A_b。
对流热流q_c表示为:
 
式中,h_c为单相传热系数,T_w和T_l分别为壁面温度和流体温度。
淬火热流q_Q模拟了气泡脱离后液体填充壁面附近循环平均瞬态能量传递,表示为
 
其中k_l为导热系数,T为周期时间,λ_l为扩散率。
蒸发通量q_Q为:
 
其中V_d是基于气泡分离直径的气泡体积,N_w为成核位置密度,ρ_v是蒸汽密度,h_fv是蒸发潜热,f为气泡离开频率。这些方程需要对以下参数进行封闭:
面积的影响
定义基于离开直径和成核位置密度:
 
注意,为了避免由于无约束的核部位密度的经验相关性而导致的数值不稳定,影响区域必须受到限制。影响面积的极限如下:
 
经验常数K的值通常被设为4,但是人们发现这个值并不普遍,可能在1.8到5之间变化。根据Del Valle和Kenning的研究,这个常数有如下关系:
 
Ja_sub为过冷Jacob数,定义为:
 
 
气泡离开频率
RPI模型的实现通常使用气泡离开频率作为基于惯性控制生长的频率(实际上并不真正适用于过冷沸腾)。
 
成核位置密度
成核位置密度通常由基于壁面过热的相关性表示。一般的表达形式如下:
 
这里使用了来自Lemmert和Chawla的经验参数,n=1.805,c=210. 还有其他公式,如Kocamustafaogullari和Ishii
 
 
其中D_w为气泡分离直径,密度函数定义为
 
气泡分离直径
RPI模型的默认气泡分离直径基于经验相关,以米为单位计算
 
而Kocamustafaogullari和Ishii使用
 
φ为接触角,单位是度。
根据Unal关系计算出以毫米为单位的气泡分离直径为
 
P是流动压力,ΔT_sub=T_w-T_sat是壁面过热度,h_lv是潜热,U_b是近壁体积速度,U_b=0.61m/s,下标s、l和g分别表示固体物质、液体和汽相。



Fluent流体基础换热散热通用参数优化
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首次发布时间:2020-07-06
最近编辑:5月前
CFD流
硕士 | CFD工程师 微信公众号:CFD流
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1条评论
独醒
创造现实
3年前
感谢分享!原来要学会有限元分析,还要这么 深厚的理论功底啊
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