Fluent管内沸腾与蒸汽加热案例分析

1 前言

之前我们用自带的Evaporation&Condensation模型模拟一下水的沸腾问题，并提出一些可能在其他案例没有的观点供参考（可以点击文末“阅读原文”查看）。

今天我们继续做一个管内水沸腾制蒸汽的案例。

2 模型描述

本次案例模型来自于FLUENT 2019R3官方验证案例VMFL067，只是在原来的基础上稍加修改。

原案例是欠热水的临界热流密度（CHF）模拟，本案例将入口水的温度设置为饱和温度，这样壁面的热功率全部用于制蒸汽，因为压力不变，水的饱和温度不变，饱和状态的水吸热即沸腾蒸发生成水蒸气。

原案例重要参数：管径10mm，管长7m，入口水的质量流率1495kg/m2s（单相），饱和压力7.0176MPa，饱和温度286℃，入口水温282℃（欠热），壁面热流密度797000W/m2。本案例部分参数修改为：入口水温286℃，壁面热流密度1060000 W/m2（总热功率233106.17W），其余参数不变。

3 求解设置

本案例需进行如下设置，否则可能无法得到案例的结果。

首先，选择稳态求解，开启重力选项。

选择欧拉多相流模型。

选择水为主相，水蒸气为次相，水蒸气的气泡直径为boiling-dia。

开启沸腾模型，饱和温度559K。

设置水和水蒸气的物性参数，这里重点需要注意：水蒸气和水的标准状态焓值之差等于蒸发潜热。我们可以通过IF97数据库查对应温度下的饱和水以及饱和蒸汽焓值，水的标准状态焓为2.2849e+07，水蒸气的标准状态焓4.9945e+07j/kmol。IF97数据库查到水和水蒸气的焓值（286℃）分别为1268.342637kj/kg和2772.339798kj/kg，FLUENT标准状态焓的单位为j/kmol，之前说过我们只需要将查到的相变潜热乘以水的摩尔质量18.0152kg/kmol即可。

沸腾模型只能在湍流中可用，我们设置流态为湍流，选择RNG k-e湍流模型。

求解器进行如下设置。

亚松驰因子进行如下设置，亚松驰因子的设置对计算结果的收敛影响极大，需要多次进行尝试。

我们设置两个监视器，一个监测入口的水流量，一个监测出口蒸汽流量。

从入口进行初始化。

4 计算结果

入口的水流量变化趋势如下图。

出口的蒸汽流量变化趋势如下图。

我们读取出入口的总流量如下图。

从以上可以看出，饱和水被加热后沸腾蒸发成水蒸气，达到稳态时全部蒸发为水蒸气了，这一点也可以从下图所示管内蒸汽体积分数看出。

下面我们进行能量守恒等核算。

出口水蒸气的流量为0.11878518kg/s（入口水的流量0.1174kg/s，不平衡率1.2%），根据IF97数据，286℃的蒸发潜热为1503997.161j/kg，因此沸腾蒸发吸收的热量为178652.5735W，壁面传热量为233106.17W，相变消耗的热量占总热量的76.64%，其余的热量应该是继续加热蒸汽了。我们读取出口的蒸汽温度为364.8℃，此时的蒸汽处于过热状态了。我们从IF97读取7.0176MPa，364.8℃过热蒸汽的焓值3060.65kj/kg，以此值减去水的焓值之差乘以流量积为介质吸收的总热量为212899.8985W，与壁面传热量不平衡率为8.7%。

以上是用IF97的数据进行核算，接下来我们用FLUENT计算结果数据进行核算。进出口的能量之差为236688.99W，与壁面传热量不平衡率1.5%。

出口蒸汽的焓值为4667567.1j/kg，如前所述286℃蒸汽的焓值为2772359.56j/kg，焓差为1895207.544j/kg，因此蒸汽总吸收热量为225122.5693W（焓差乘以蒸汽流量），与壁面传热量不平衡率为3.4%，与IF97数据计算不平衡率为5.7%。

根据以上核算，本次案例结果还是相对较好的，但是沸腾传热模拟相当难收敛，稍微设置不合适就发散，建议大家在算完之后务必进行守恒核算。

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