Fluent蒸发与凝结模型应用实例

1 前言

读者朋友应该都知道FLUENT自带一个蒸发凝结模型，可以进行蒸发、沸腾凝结的问题计算；当然也可以用UDF编写两相流的传热传质模型，这些都可以在网上搜到现成的案例。今天我们也用自带的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，本次的案例会写得很详细，介绍各个操作步骤。

2 模型描述

为了简化计算，我们建立如下二维水杯模型，尺寸10mm×50mm，网格尺寸为0.5mm。其中底部为102℃恒温壁面，两侧为绝热面，顶部为压力出口（标准大气压）。杯子30mm以下均为水，其余上部为蒸汽。

假设杯子的水之前已被加热到99.9摄氏度，马上就加热到100℃。我们知道标准大气压下水的饱和温度为100℃，因此在102℃的壁面加热下，底部将发生沸腾，并且蒸汽最终排出顶部，我们要模拟这个过程。

图1模型描述

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，选择瞬态求解，开启重力选项

选择混合物多相流模型

选择水为主相，水蒸气为次相，水蒸气的气泡直径为0.2mm

开启蒸发凝结模型，饱和温度100℃

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。我们设置水的标准状态焓为0，水蒸气的标准状态焓4.0652e+07j/kmol。大家可以通过IF97数据库查到水的相变潜热（100℃）为2256541j/kg，FLUENT标准状态焓的单位为j/kmol，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，这里还需要将参考温度设置成100℃。

我们设置流态为层流，因此无需开启湍流模型。

水杯顶部出口设置为压力出口，表压为0，回流温度100℃（很重要），回流组分全部为水蒸气，这样的设置表示水之前已经被加热到100℃饱和状态。求解器进行如下设置。

我们设置两个监视器，一个监测顶部壁面和顶部出口的净热功率（达到平衡时应该为0W），一个监测顶部出口质量流量（达到平衡时应该趋于稳定值）。

进行如下初始化，并通过patch功能将30mm以下的区域填充为水（效果如图1所示）

4 计算结果

水杯底部和出口的净热功率变化趋势如下图。

水杯顶部出口的质量流量变化趋势如下图。

从以上两图可以看出，水杯内传热传质经过一定时间后近似达到稳态（精确度和网格有关系，本案例没有细究）。

我们读取通过底部和顶部出口的热功率，分别为26.37W和25.14W，不平衡率约为4.67%。

出口的热量应该是水蒸气带走的热量，我们读取水蒸气的流量，为0.0000111361kg/s（也就是发生相变的水的质量速率），前面我们说过100℃水的相变潜热为2256541j/kg，两者相乘为25.13W，刚好等于水蒸气带出杯子的热量。

水杯内的温度和速度矢量如下图。

温度[℃]

速度[m/s]

这里补充一点内容，实际上水杯内的水加热过程为：先将水由某个温度加热到100℃饱和温度，之后再发生相变，外部热源需要足够能完成这两个过程，如果热功率不够大，则无法发生沸腾相变。如果我们的初始温度不是设置成99.9℃，并且压力出口温度不是100℃，则可能无法得到案例的结果，因为实际上底部102℃的壁面具有的热功率可能只能将水加热到饱和温度以内某个温度后，与通过水面的热损失达到平衡，之后的热功率全部损失了，大家可以自己思考以下这个过程。

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