VitualFlow | 基于壁面相变模型的回流冷凝过程仿真
通用计算流体仿真软件VirtualFlow，采用领先的网格技术、丰富的多相流模型以及先进的相变模型，可模拟单相和多相/多组分流动，可模拟复杂流体（包含非牛顿流体、水合物），面向工业用户提供全面的流体仿真解决方案，已成功应用于核工业、石油化工、水利水务、环境市政、汽车等领域的流体仿真分析。
CCFL全过程随着气相速度的增加，液相会逐步出现波动以及被夹带的现象（CCFL起始点）、被夹带的液体增多、液体均向气体方向运动（完全CCFL状态）等过程。下图1为竖直流动发生CCFL过程的示意图：
目前，在国内外学者的研究之中，更多的关注了管道内部，无论是水平管道、倾斜管道或者是竖直管道中的逆向流动过程。其直接过程为管道入口有不同流量的气相，同时相向侧有不同流量的液相，两相相对流动，在不同流量比的情况下发生CCFL的各阶段现象。在进行数值模拟仿真时，该过程对于两相流动来说是较为简单的场景，无论是使用混合流mixture方法抑或是界面流VOF方法，均能够较为准确地进行模拟。
回流冷凝现象基于CCFL现象之上，但是情况更为复杂。在蒸汽发生器部件中，高温蒸汽通过热腿进入蒸汽发生器，与蒸汽发生器二次侧发生热交换，带出热量。此时在蒸汽发生器传热管内冷凝的液体将靠重力的作用沿管壁返回蒸汽入口。冷凝液体的流动方向与蒸汽流动方向相反，也就是说进入回流冷凝（Counterflow Condensation）阶段。当蒸汽流速进一步增大时，由于相间摩擦力的作用，会限制倒流回入口的冷凝液体的速度和数量，即CCFL过程。CCFL通常发生在流动面积发生变化或流动方向改变的地方。
在回流冷凝过程中，CCFL的影响是明显的。第一，CCFL影响冷凝液体的回流速度，而回流速度的大小与返回入口的冷凝液体体积密切相关，因此，CCFL影响发生器内的混合液位下降速度，即影响整体的冷却效果。第二，CCFL的发生增加了内部部件的裸 露程度。
相较于CCFL而言，回流冷凝增加了蒸汽冷凝过程的考量。全过程的机理复杂，包含流态环状到混合、界面从稳定到破碎的动态变化以及与之伴随的相变速率和壁面传热系数的变化。下图2是回流冷凝过程的示意图：
图2 回流冷凝过程示意图
当壁面温度冷却到周围蒸汽饱和温度时，蒸汽会在壁面上凝结。壁面模型根据壁面浸湿度的不同可分为液滴冷凝和液膜冷凝。液滴冷凝模型用来模拟冷凝初期阶段壁面无浸润或部分浸润的工况，液膜冷凝则用来模拟冷凝后期阶段液滴通过聚合形成液膜后的工况。液膜冷凝模型在浸润的壁面会发生的更早。有效冷凝速度取决于两种壁面冷凝模型的混合程度。
图3 壁面冷凝模型：a) 液滴冷凝；b) 液膜冷凝
在VirtualFlow中，壁面冷凝模型首先假设理论函数
来将上述两种冷凝模式结合起来，使在气体体积分数较高的情况下液滴冷凝模式占据主要作用，在气体体积分数较低的情况下液膜冷凝模式占据主导作用。
其中
＝0.2是临界的气体体积分数（Critical volume fraction）。
目前，该壁面冷凝模型的适用条件是：可压/不可压缩均相流模型。
通过前文对回流冷凝过程的描述，以及对VirtualFlow中的壁面冷凝模型机理的探讨，基本确定了使用VirtualFlow计算回流冷凝项目能够取得较好的结果，下面则通过实际的算例来进行相关过程的验证，下图5为算例几何模型。
其内部管道内自下而上为饱和蒸汽，外侧管道自上而下为过冷液体。通过管壁进行换热的过程中，饱和蒸汽会冷凝成液体，由于几何为垂直管道，在重力作用下冷凝液体会向下流动，与蒸汽发生逆向流动，从而根据蒸汽流量出现CCFL现象。
在本次项目中，具体的难点如下：
1）外侧管道为过冷水，内侧通饱和蒸汽，采用共轭传热进行温度计算；
2）内侧管壁不存在初始液膜，而是通过冷凝形成液膜完成CCFL现象的仿真；
3）在轴向分布有超过十组不能忽视计算体积的探针结构，对于流动传热均存在较大影响；
4）计算域轴向长度相对于管道半径上升了两个数量级，内管流动属于微通道计算；
上述过程中，壁面冷凝的过程无法通过商软进行准确仿真，同时长直管道的流动计算对于商软的网格划分来说也具有较大的挑战。由此，可以看出使用VirtualFlow进行项目仿真具有如下优势点：
1）独特的IST网格技术，能够减少复杂几何模型问题计算所需的网格量，在大规模网格生成过程中能够高效，高质量地完成相应过程；
2）在计算管道换热的过程中，IST技术支持同时剖分流场及固体域网格，在计算共轭传热时更加快速高效；
3）独特的壁面相变模型支持多种复杂场景，可调参数物理意义清晰，同时具备多种内流场多相流相变模型；
图6 VirtualFlow网格剖分 a) x-y平面b) x-z平面
图8 内管流动细节展示（相分布）
结合上述结果，基本可以看到壁面冷凝以及管内流动的状态。
但是由于使用了均相流模型，相较于VOF等界面追踪模型而言，无法通过观察得到CCFL的过程表现，在此通过定量分析管内流动状态进行判断。
通过截取管道内不同位置的表面速度随时间的变化进行分析，其结果变化如下图所示：
从图10(a)可以看出，在入口压力为1500Pa时，整个管道内部的液相表面速度均大于0，也就是说整个管内液相的速度均与蒸汽速度方向相同，认为此时处于完全CCFL的状态。而相比之下，图10(b)在入口压力为1200Pa时，整个管道内部的液相表面速度均为负数，则可以认为此时处于CCFL起始点之下。在这两者中间取一个压力点，则可以得到在管道内部存在一段液相表面速度为正，一段液相表面速度为负的情况，此时则可以认为是处于CCFL状态中。
对于最终的实验验证，由于实验较为困难，目前也未得到具体的实验数据。但是通过上述的分析方法，目前得到的流量段区间与实验定性较为符合。后续有具体的实验结果对比会持续汇报。
