基于VirtualFlow的壁面过冷沸腾数值模拟及结果对比

壁面过冷沸腾是在特定的热力学条件下，发生在固体壁面附近的沸腾现象。在核反应堆运行过程中，壁面过冷沸腾通常出现在热流密度较高、热流体与壁面之间的传热温差较大的区域。壁面过冷沸腾的发生会导致壁面附近流体温度骤降，产生大量汽泡。这些汽泡可能会迅速成长并逸出到主流流体中，从而导致流体的热力学状态和流动特性发生显著变化。这些变化可能会对反应堆的运行产生重要影响。

 

 

 

图1 模型示意图  

 

 

针对不同工况进行模拟      

通过VirtualFlow软件建立2D轴对称模型，流动方向上有751个网格单元，径向上有41个网格单元，在入口处和靠近墙壁处进行网格加密。

  对壁面沸腾测试不同工况（Case-1至Case-8，见表1）进行研究。    

Case-1至Case-7数据取自Vyskocil＆Macek（2008）（参考文献[2]）；Case-8数据取自Krepper＆Rzehak（2011）（参考文献[3]）。                  

氟利昂R12流体的饱和温度设定为367.27K，潜热为104kJ/kg，壁面热通量边界条件设定为58.26kW/m²。对于不同工况，改变入口温度和流速。对于Case8，饱和温度为331K和360K，潜热为116kJ/kg和86kJ/kg，壁热通量分别为76.26kW/m²和73.89kW/m²。    

不同工况下，需改变的最后一个参数是在液态氟利昂R12中气相的气泡直径。对于所使用的代数滑动模型，这是一个很重要的值，其值来自Vyskocil＆Macek（2008）和Krepper＆Rzehak（2011）。    

   

计算结果      

通过VirtualFlow模拟计算得到不同工况下空泡份额的径向分布，并与DEBORA试验数据、Vyskocil＆Macek（2008）模拟结果、Krepper＆Rzehak（2011）模拟结果进行对比，得到图2-图9.

                     

说明：

1. DEBORA实验在CEA Grenoble进行，作为实验数据集；

2. Vyskocil＆Macek（2008）通过FLUENT及NEPTUNE-CFD（CEA、EDF等机构联合开发）进行模拟分析；

3. Krepper＆Rzehak（2011）通过Ansys CFX进行模拟分析。                              

图2 Case-1 结果对比   

 

图3 Case-2 结果对比   

 

图4 Case-3 结果对比   

 

图5 Case-4 结果对比   

 

图6 Case-5 结果对比   

 

图7 Case-6 结果对比   

 

图8 Case-7 结果对比   

 

图9 Case-8 结果对比   

对比分析图2-图9，表明VirtualFlow模拟壁面沸腾均能得到合理的结果。    

 

 

参考文献  

[1] Garnier, J., Manon, E. & Cubizolles, G. 2001 Local measurements on flow boiling of refrigerant 12 in a verticaltube. Multiphase Science and Technology 13, 1-111.  

[2] Vyskocil, L. & Macek, J. 2008 Boiling flow simulation in neptune cfd and fluent codes. In Proceedings of the workshop on Experiments and CFD Code Application toNuclear Reactor Safety (XCFD4NRS) (ed. C.Chauliac), pp. 10-12.  

[3] Krepper, E. & Rzehak, R. 2011 Cfd for subcooled flow boiling: Simulation of debora experiments. Nuclear Engineering and Design 241, 3851-3866.