Fluent沸腾模型深度剖析：Critical Heat Flux模型应用

“过冷沸腾”是用来描述这样一种物理情况:即使液体的体积平均温度小于饱和值，但壁温高到足以导致壁上发生沸腾。在这种情况下，能量直接从壁面传递到液体。这些能量的一部分会使液体的温度升高，另一部分会产生蒸汽。相间传热也会导致液体平均温度升高,而饱和蒸汽冷凝。此外，一些能量可以直接从壁面转移到蒸汽中。这些基本机制是所谓的伦斯勒理工学院(RPI)模型的基础。

在ANSYS Fluent中，在欧拉多相模型的基础上建立了壁面沸腾模型。多相流动由相连续性守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程控制。采用 Kurual 和 Podowski 的RPI形核沸腾模型和Lavieville等人的扩展式对壁面沸腾现象进行了建模。该壁面沸腾模型适用于三种不同的壁面边界:等温壁面、指定热流和指定传热系数(耦合壁面边界)。

如下面所描述的，已经考虑了动量、质量和热量的界面传递以及沸腾流中的湍流模型。

01—Critical Heat Flux

在壁面沸腾时，临界热流条件的特征是局部传热系数急剧降低和壁面温度的偏高。随着蒸汽含量的增加，加热表面不再被沸腾液体湿润，就会发生这种现象。

在临界热流条件下，蒸汽取代液体，占据加热壁附近的空间。因此，能量直接从壁面转移到蒸汽中。反过来，它会导致换热能力迅速下降，蒸汽温度急剧上升，最重要的是壁温升高。此外，壁面沸腾与核态沸腾区分离，多相流动由泡状流动变为雾状流动。

为了建立临界热流条件的模型，ANSYS Fluent采用的基本方法是将RPI模型从核态沸腾状态扩展到临界热流和烧干后的工况，

同时考虑以下因素:

广义非平衡壁面热流划分
流态由气泡流向雾流转变

壁面热流区的划分

除函数定义外，壁面体热分区的定义与方程17-426��同。这里，函数f（α1）依赖于局部液体/蒸汽体积分数，其极限值与液体体积分数相同，即在0到1之间。Lavieville等人提出了如下表达式:

液相体积分数的临界值为0.2，气相体积分数的临界值为0.8。

还有其他一些函数可用来定义壁面体热流分区。在定义壁面沸腾状态时，Tentner等根据蒸汽体积分数提出如下表达式:

考虑到壁面热流划分中薄膜沸腾的情况，Ioilev等利用线性函数将方程17-431推广到临界热流条件:

其中断点设置为α_v1=0.9和α_v2=0.95。在ANSYS Fluent中，选取公式17-431作为壁面体热流划分的默认公式。

流态的转变

当壁面沸腾脱离核态沸腾状态，达到临界热流和干燥后状态时，多相流由泡状流动变为雾状流动。因此，在泡状流动状态下，液相从连续相转变为分散相，气相从原来的分散相转变为连续相。随着流态的转变，界面面积、动量传递项(阻力、升力、湍流弥散、界面面积等)、传热和湍流量都会发生相应的变化。

为了模拟流型的变化和计算界面的迁移，传统上采用基于截面平均流动参数的所谓流型图，用于子通道一维热工代码。在CFD求解器中，流型图的概念已经扩展为局部的、基于单元的界面表面拓扑，以从局部流动参数来评估流型转变。将所有计算单元与它们通常简单的局部界面表面拓扑集成在一起，可以提供复杂的全局拓扑来表示不同的流态，就像传统的子通道流态图一样。

作为第一步，该实现采用简单的局部界面表面拓扑来控制从连续的液泡流平稳过渡到连续的汽滴流构型。它假设在计算单元内，局部界面表面拓扑结构包含多个连接的界面，流动状态由单一的局部流量-蒸汽体积分数α_v决定:

气泡流拓扑:气相以气泡的形式分散在连续液体中，通常α_v<=0.3

雾流拓扑:液相以液滴的形式分散在连续的蒸汽中，通常α_v>=0.7

搅拌流:这是气泡流和雾流拓扑之间的一个中间拓扑，通常0.3<α_v<0.7

界面拓扑用于计算界面面积和界面动量和热量的传递。引入φ表示界面量(界面面积、阻力、升力、湍流漂移力和换热)，则采用以下一般形式计算:

这里f（α_v）是用方程17-431或方程17-432计算的，但断点的上下限不同。通常使用0.3和0.7的值，φ_bubbly和φ_droplet分别是气泡流和雾流的界面量。采用在界面动量传递和界面传热中提出的界面子模型进行计算。

值得注意的是，在沸腾模型中，液体通常被定义为第一相，蒸汽被定义为第二相。一旦定义了这一点，它将保持不变的流型转变。当φ_bubbly和φ_droplet被计算时，主相和次相被交换。对于φ_bubbly，液体被视为第一相，而蒸汽是第二相。与此相反，对于φ_droplet，蒸汽成为第一相，液体是第二相。

界面动量转移

界面动量传递包括五个部分:阻力、升力、壁面润滑、湍流漂移力和虚质量. 每种影响都有各种各样的模型，其中一些是专门为沸腾流制定的。此外，还可以使用用户定义的选项。

界面面积可以用输运方程或界面面积浓度中描述的代数模型来计算。对于沸腾流，通常选用代数公式。

在默认情况下，Fluent使用下面的气泡直径模型作为局部过冷的函数ΔT_sub=T_sat-T_l