Fluent案例分享:管内沸腾现象的深入探索

本案例演示利用Fluent中的Critical Heat Flux沸腾模型仿真计算管内介质受管壁加热后的沸腾现象,并将计算结果与试验数据进行比较。

1 案例描述

计算模型如图所示。管道半径5 mm,长度7 m。入口为液态水,其温度555 K,质量通量为1495 kg/(m2-s)。壁面为均匀热流797000 W/m2。管道内部压力为7.02 MPa。


2 Fluent设置

2.1 General设置

  • 鼠标双击模型树节点General,右侧面板选择Axisymmetric
  • 激活选项Gravity启用重力加速度,设置重力加速度为X方向-9.81 m/s2

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注:二维轴模型的对称轴必须为X轴,本案例几何模型是水平放置的,因此设置重力加速度沿着X轴负方向 ”



2.2 多相流模型设置

  • 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase,弹出对话框中如下图所示,选择Eulerian,并选择Boiling Model及Critical Heat Flux

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2.3 Models设置

  • 右键选择模型树节点Models > Energy,点击弹出菜单项On开启能量方程

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  • 鼠标双击模型树节点Models > Viscous,弹出的模型设置对话框中选择Realizable k-epsilon湍流模型,选择选项Enhanced Wall Treatment及Thermal Effects,如下图所示

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2.4 Material设置

管内压力7.02MPa,利用REFPROP计算介质液相与汽相的物性参数,包括密度、比热、热导率、粘度、标准状态焓等。

  • 启动REFPROP软件
  • 选择菜单Substance → Pure Fluid(Single Compounds) 打开材料介质选择对话框

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  • 如下图所示选择介质water

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  • 点击菜单Options → Properties 打开属性选择对话框

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  • 如下图所示挑选需要显示的物性参数,如密度、焓值、汽化热、热导率、粘度等

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  • 点击菜单Calculate → Saturation Tables打开设置对话框

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  • 选择变量为Pressure

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  • 如下图所示指定压力为7.02 MPa ,点击OK按钮进行计算

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  • 计算得到的物性参数如下图所示

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可以得到7.02 MPa条件下饱和温度为559.17 K

将其整理成表,如下表所示。


  • 液相参数:
物性参数参数值
密度739.37 kg/m3
静态焓1268.7 kJ/kg
比热5.4065 kJ/(kg-K)
热导率572.88 mW/(m-K)
粘度91.191E-6 Pa.s
  • 汽相参数:
物性参数参数值
密度36.642 kg/m3
静态焓2772.4 kJ/kg
比热5.3666 kJ/(kg-K)
热导率63.547 mW/(m-K)
粘度18.898 E-6 Pa.s

汽化潜热1503.7 kJ/kg(汽化潜热=气相焓值-液相焓值,REFPROP中可以直接得到)。Fluent中要求输入标准状态焓,其值等于汽化潜热与分子量的乘积。在设置材料参数的过程中,为简单起见,可将液相标准状态焓设置为零 ,将气相标准状态焓设置为汽化潜热与分子量的乘积,注意单位换算。本案例其值为。


从材料库中添加材料water及water-vapor,并修改其材料参数

  • 添加材料后的模型树节点如下图所示

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  • 如下图所示修改water_liquid材料参pi数

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  • 如下图所示修改水蒸气的材料属性参数

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注:参数标准状态焓很重要,直接影响到相变量。 ”


2.5 Phase设置

  • 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > Primary Phase,弹出对话框中设置water-liquid为主相,并修改名称为liquid

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  • 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > Secondary Phase,弹出对话框中设置water-vapor为主相,并修改名称为vapor,设置Diameter为boiling-dia

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  • 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase >Phase Interactions,弹出对话框中进入Forces标签页,如下图所示进行设置

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  • 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase >Phase Interactions,弹出对话框中进入Mass标签页,如下图所示进行设置

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  • 点击Eidt… 按钮进入沸腾模型设置对话框,如下图所示进行参数设置

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2.6 边界条件指定

1、mass-flow-inlet-7

  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7,弹出对话框中如下图所示设置湍流条件

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  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7> liquid,如下图所示设置入口速度

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  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7 > liquid,切换至Thermal标签页,如下图所示设置液相温度为555 K

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  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7 > vapor,弹出对话框中如下图所示设置入口气相质量通量为0
  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > mass-flow-inlet-7 > vapor,切换至Thermal标签页,如下图所示设置温度为559 k

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2、pressure-outlet-4

  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > pressure-outlet-4,弹出对话框中如下图所示设置参数

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  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > pressure-outlet-4> liquid,如下图所示设置出口液相参数

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  • 切换至Thermal标签页,设置温度为559 k

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  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > pressure-outlet-4 > vapor,如下图所示设置出口气相温度

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3、wall

  • 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall,如下图所示,设置壁面热流为797000 w/m2

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2.7 Methods设置

  • 双击模型树节点Methods,如下图㪢及
  • 进入Methods节点,如下图所示进行设置

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2.8 Controls设置

  • 鼠标双击模型树节点Controls,右侧面板如下图所示采用参数设置

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2.9 Monitor设置

  • 如下图所示禁用残差作为收敛标准

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注:这里需要计算足够多的步数才行,干脆不看残差了。 ”


2.10 初始化计算

  • 鼠标右键选择模型树节点Initialization,点击弹出菜单项Initialize开始初始化

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2.11 进行计算

  • 双击模型树节点Run Calculation,右侧面板设置Number of Iterations为6000,点击按钮Calculate开始计算

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3 计算结果

  • 中间某段气相分布

模型长宽比太大,不便于观察,这里取中间一段来观察气相分布。

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  • 壁面温度分布与 实验数据[1]比较

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计算误差还是有点儿大,沸腾模型中有一大堆参数需要调整,有兴趣可以自行调整。






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