沸腾 04 Fluent设置

本文描述Fluent仿真计算壁面沸腾问题的一般设置步骤。

注：内容来自Fluent User Guide27.5.8。

在Fluent中使用壁面沸腾模型，存在以下限制：

该模型只能使用在Eulerian多项流下

该模型只能在压力基求解器下使用

1 激活沸腾模型

鼠标双击模型树节点Models > Multiphase打开多相流模型设置对话框

选中Eulerian多相流模型

选择Boiling Model模型

选择子模型RPI Boiling Model, Non-equilibrium Boiling或Critical Heat Flux

设置Number of Eulerian Phases。可以由两相组成：液相与其沸腾后的蒸汽相，也可以包含非沸腾相。

▲ 多相流设置对话框

注意：

若要包含液相体积分数效应，可以使用TUI命令solve/set/multiphase-numeric/boiling-parameters/liquid-vof-factor。当此选项被激活时，沸腾模型的换热系数将会与当地液相体积分数相乘。

若要包含薄膜效应，可以使用TUI命令solve/set/multiphase-numeric/boiling-parameters/thin-film

2 激活能量方程

当沸腾模型被激活时，能量方程会被自动打开。

3 设置操作条件

在操作条件设置对话框中激活重力加速度与操作压力。沸腾模拟通常都需要开启重力加速度以考虑蒸汽相的浮力。

4 湍流模型

选择与Eulerian模型兼容的湍流模型。

5 材料介质

指定液相、汽相以及其他相的材料介质参数。

对于液相与蒸汽相，需要指定Standard State Enthalpy以计算相变潜热。为方便计算，常将液相的标准状态焓设置为0，而将汽相的标准状态焓指定为相变潜热。

6 定义相

通常指定液相为主相，指定蒸汽相为次相。在相定义对话框中，指定汽相粒径为boiling-dia。也可以将粒径指定为常数或UDF。

▲ 指定相7 指定相间相互作用7.1 指定相间动量传递

打开Phase Interaction标签页，打开下方的Force子标签页，设置参数。

指定Drag Coefficient。对于沸腾流动，通常选用Ishii模型

指定Lift Coefficient。沸腾流动通常指定tomiyama模型

指定Wall Lubrication。沸腾选用antal-et-al模型

指定Turbulent Dispersion，沸腾选用lopez-de-bertodano模型

指定Turbulence Interaction，沸腾选用troshko-hassan模型

指定virtual Mass Coefficient，一般采用默认值0.5

指定Surface Tension Coefficient，可以使用常数表面张力系数

▲ 指定相间力作用7.2 指定相间界面面积

进入Interfacial Area标签页，设置参数。

指定Interfacial Area参数，对于沸腾模拟，可以选用ia-symmetric或ia-particle模型

▲ 指定Interfacial Area7.3 指定相间传热

进入Heat，Mass，Reactions下Heat标签页，指定模型参数。

指定Heat Transfer Coefficient，沸腾模拟通常采用ranz-marshall模型

▲ 指定相间传热7.4 指定相间传质

进入Mass标签页，指定模型参数。

指定Number of Mass Transfer Mechanisms参数

指定From Phase及To Phase，一般情况下设置From Phase为液相，设置To Phase为汽相

选择Mechanism为boiling，软件弹出沸腾模型设置对话框

▲ 指定相间传质7.5 指定沸腾模型参数

沸腾模型设置对话框如图所示。

▲ 沸腾模型设置对话框

指定参数Interfacial Model Constants，该参数默认值为1。若使用RPI模型，则无需指定参数Vapor-Interface Transfer Coeff，因为汽相温度固定为饱和温度。

指定参数Saturation Temperature。该参数可以为常数，也可以指定为压力的函数，包括polynomial、piecewise-polynomial及piecewise-linear，需要注意若将饱和温度指定为压力的函数，则必须确保压力为绝对压力

Bubble Departure Diameter。5种选项可供选择：tolubinski-kostanchuk (默认模型), unal, kocamustafaogullari-ishii, constant及user-defined.

Frequency of Bubble Departure。可以选择cole模型，也可以指定常数。

Nucleation Site Density。可以指定lemmert-chawla（默认选项）、kocamustafaogullari-ishii及user-defined。

注：在使用kocamustafaogullari-ishii模型时，通常将其同时用于Bubble Departure Diameter及Nucleation Site Density。

Area Influence Coeff.。可以指定为delvalle-kenning模型，也可以指定为常数，或使用UDF进行定义

Quenching Model Correction描述壁面热流分配中的淬火项。壁面热流分配中的中的淬火项以T为周期，模拟了气泡破裂后填充壁面附近液体的循环平均瞬态能量传递，其表达式为:

式中，

为液相热导率，

为时间周期，

为液相扩散系数。

为Bubble Waiting Time Coefficient，用于修正连续气泡脱离的间隔时间，其默认值为1，可以修改该参数，不过只能设置为常数。

从上式可以看出，淬冷模型严重依赖于液相温度变量

，这导致其计算结果依赖于网格。为了解决此问题，Fluent提供了两种方式：Fixed Yplus Value及Fixed Liquid Temperature。

注意：当远离壁面的区域的计算温度低于操作温度Operating Temperature(在工作条件对话框的Boussinesq参数组框中设置)时，求解器使用操作温度进行淬火校正。

▲ 采用固定Y+值

若想要使用校正模型，可在面板中激活选项Correction Model。

根据Egorov and Mentor[1]的建议，若要使用壁函数的对数形式来估计固定Yplus值时的液体温度，可以选择选项Fixed Yplus Value，而不是使用近壁网格中的液体温度值。输入参数Minimum Reference Temperature，该参数限制液相温度的最小值，该温度值不应低于液体入口温度。指定一个Yplus值。默认设置为250。

如果选择Fixed Liquid Temperature，需要指定参数Liquid Reference Temperature为standard, constant, or user-defined。同时还需要输入Minimum Reference Temperature，该温度通常应设置为入口液体温度和饱和温度之间值，用于计算淬火热流。

▲ 采用固定液相温度

也可以使用UDF宏DEFINE_BOILING_PROPERTY指定这些参数。

8 指定边界条件

对于淬火壁热通量，Koncar等[2]提出，为了在计算淬火传热时避免网格依赖，必须使用一个将固定归一化距离(y+ = 250)的温度与近壁单元温度联系起来的因子。

与壁面沸腾模型相兼容的壁面边界包括：等温壁面、指定热流以及指定换热系数。

thin wall模型不能用于沸腾模型。

9 求解方法

通常选用Coupled作为pressure-velocity coupling scheme。尽管Phase Coupled SIMPLE选项也可以选用，不过该方法稳健性较差，不建议用于稳态沸腾或传质问题中。

▲ 设置Methods参数

设置Controls参数

Courant Number：建议使用1~20，首次计算使用10。

Explicit Relaxation Factors：使用默认值1

Vaporization Mass：使用松弛因子0.5~1. 首次计算使用1.

Volume Fraction：使用松弛因子0.3~0.5.

Turbulent Kinetic Energy：使用松弛因子0.3~0.8.

Turbulent Viscosity：使用松弛因子0.5~1.0.

Energy：使用松弛因子0.5~0.8.

▲ 设置Controls参数参考文献

[1]

Y. Egorov and F. Menter. Experimental Implementation of the RPI Wall Boiling Model in CFX-5.6. Technical Report. ANSYS/TR-04-10, ANSYS GmbH. 2004.

[2]

B. Koncar, I. Kljenak, and R. Mavko. Modeling of Local Two-Phase Flow Parameters in Upward Subcooled Flow Boiling at Low Pressure. International Journal of Heat and Mass Transfer. 47. 1499–1513. 2004.