FLUENT焦耳-汤姆逊效应模拟

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摘要

本文介绍了焦耳-汤姆逊效应，即气体通过截面缩小孔道时压力降低、温度变化的现象，并强调了其在高压氢气储运中的重要性。利用FLUENT软件模拟了一个二维轴对称节流组件的焦耳-汤姆逊效应案例，选择了Realizable k-e湍流模型和NIST真实气体模型，模拟结果显示节流处速度超音速，温度降低约0.7K，与理论结果相近。案例以空气为介质，焦耳-汤姆逊系数为正，节流后温度降低，而氢气则相反。

正文

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1 前言

焦耳-汤姆逊效应指的是：当气体在通过截面突然缩小的孔道时，由于局部阻力，气体的压力将会降低，温度将会发生变化的现象。该效应于1852年被英国的焦耳和汤姆逊两位科学家发现，它在热力学理论中占有非常重要的地位，对于理想气体，经绝热节流过程后，温度不变，但对于实际气体，经绝热节流过程后，气体温度可能降低、升高或不变[1]。

焦耳-汤姆逊系数ε用来表示该效应的强烈，其简单的计算方法是进出口温差除以进出口压差。因此，气体经节流后温度降低，则ε为正，温度不变，则ε为零，温度升高，则ε为负。常见的气体中，空气的ε为正，氢气的ε为负，焦耳-汤姆逊效应在高精度应用场合以及在高压氢气储运中显得很重要。比如，在70MPa高压储氢场合，如果发生泄漏，则温升结果会增加爆炸风险。

举例来说，假如70MPa，300K的高压、常温氢气泄漏到大气环境中，由于该状态下，氢气的焦耳-汤姆逊系数约为-0.5K/MPa[2]，则氢气泄漏到大气后的温升可达到35K。今天我们基于FLUENT用一个简单的案例对焦耳-汤姆逊效应进行模拟演示。

2 建模与网格

建立如下的二维轴对称节流组件模型，划分四边形网格，节点数约1.8万，最小正交质量0.49。

3 求解设置

我们采用Realizable k-e湍流模型，近壁面处理采用Scalable wall function壁面函数，该设置可适应跨度较大的Y+值，稳定性比标准壁面函数高。

对于焦耳-汤姆逊效应的模拟，最核心的就是物性参数的设置，不能采用常物性和理想气体模型。较为常用的做法是采用真实气体模型，FLUENT自带的几种真实气体模型都可以使用，还有就是直接调用NIST数据，需要采用TUI方式，单组分流体输入以下文本：define/user-defined/real-gas-models/nist-real-gas-model；多组分流体输入以下文本：define/user-defined/real-gas-models/nist-multispecies-real-gas-model，都输入yes激活该真实气体模型。