1 摘要

沸腾传热是热量从壁面传给液体，使液体沸腾气化到对流传热过程。本算例将演示如何用Fluent中的VOF模型和蒸发-冷凝模型来模拟传热沸腾。

2 传热沸腾模型介绍

图 1是传热沸腾模型三维示意图。容器为圆柱体，圆柱高40cm，底面直径为16cm，底部受热区域为圆形，圆心位置与圆柱底面圆心重合，直径为5cm。

3 前处理

在DesignModeler中建立模型，然后在Ansys Meshing中划分网格。圆柱底部受热区域为heatsource，类型为wall；底部其他区域以及圆柱侧面为wall_surface，类型为wall；圆柱顶面为top，类型为pressure_outlet。模型网格划分如图 2所示

4 求解设置

4.1 启动Fluent

启动Fulent，将Dimension设置为3D，如图 3所示。

4.2 网格缩放

在DesignModeler中建模时默认采用m作为单位。为了进一步确保模型尺寸设置正确，建议打开scale来检查模型尺寸设置是否正确。如果不正确，通过设置缩放因子来设置。网格缩放设置如图 4所示。

4.3 求解器设置

将Solver Type设置为Pressure-Based，Solver Time设置为Transient，并勾选Gravity，设置x方向和y方向重力加速度为0，z方向重力加速度为-9.81m/s2。如图 5所示。

4.4 多相流模型设置

打开模型树中的【Model】→【Multiphase】，MultiphaseModel选用Volume of Fluid模型，Number of Eulerian Phases设置为3。其他设置保持默认。如图 6所示。

4.5  能量方程求解设置

打开模型树中的【Model】→【Energy】，勾选Energy Equation。如图 7所示。

4.6  紊流模型设置

打开模型树中的【Model】→【Viscous】选择k-epsilon模型，其余保持默认，设置如图 8所示。

4.7  添加材料

双击模型树中的【Materials】，在弹出的对话框右侧选择【Fluent database】，在Fluent Database Materials对话框中找到water-liquid，water-vapor项，单击下方copy选项。

4.8  多相流中相设置

打开模型树中的【Models】→【Multiphase】→【Phases】，设置Primary Phase的名称为air，材料为air，Secondary Phase的名称为water-liq，材料为water-liquid, Secondary Phase的名称为water-vap，材料为water-vapor。如图 10所示。

打开模型树中的【Models】→【Multiphase】→【Phase Interactions】，选择Mass选项卡，From Phase设置为water-liq，ToPhase设置为water-vap，Mechanism设置为evaporation-condensation。如图11所示。单击Edit，在弹出的Evaporation-Condensation Model对话框中设置Evaporation Frequency为0.2，Condensation Frequency为0.1，其他选项保持默认，如图 12所示。

4.9  操作条件设置

双击【Cell-Zone-Conditions】，点击Operating-Conditions。OperatingPressure保留默认值（国际标准大气压值）。设置ReferencePressureLocation为x=0m，y=0m，z=0m。勾选Specified Operating Density，设置Operating Density为0.5542。如图 13所示。

4.10 边界条件设置

4.10.1 heatsource边界条件设置

双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的heatsource，Momentum选项卡中设置保持默认，如图 14所示；Thermal选项卡中Thermal Conditions选择Temperature，Temperature设置为1873.15，其余选项保持默认。如图 15所示

4.10.2  wall_surface边界条件设置

双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的heatsource，Momentum选项卡中设置保持默认，如图 16所示；Thermal选项卡中Thermal Conditions选择Temperature，Temperature设置为1873.15，其余选项保持默认。如图 17所示

4.10.3  top边界条件设置

双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的top，在下方的TYPE中选择为Pressure outlet。Momentum选项卡中设置保持默认，如图 18所示；Thermal选项卡中设置保持默认，如图 19所示。

4.11 求解方法设置

打开模型树中【Solution】→【Methods】，将Scheme选择为PISO算法，其他选项保持默认。如图 20所示。

4.12 流场初始化

双击【Initialization】，将默认的Hybrid-Initialization改为Standard Initialization，注意Initial Values中将water-liq Volume Fraction和water-vap Volume Fraction设置为0，单击Initialize。如图 22所示。

单击SettingUpDomain工具栏选项卡中Adapt选项卡中的Mark/AdaptCells，在下拉菜单中选择Region。首先设置XMin为-0.1，X Max为0.1，Y Min为-0.1，Y Max为0.1，Z Min为0，Z Max为0.2，单击Mark。如图 23所示。

双击【Initialization】，单击Patch。Phase选择water-liq，Variable选择Volume Fraction，Registers to Patch中选中hexahedron-r0，然后将Value改为1，单击Patch。如图 24所示。

Phase选择mixture，Variable选择Temperature，Registers to Patch中选中hexahedron-r0，然后将Value改为365，单击Patch。如图 25所示。

4.13 计算自动保存设置

打开【CalculationActivities】→【Autosave】，设置Save Data File Every （Time Steps）为4，其余选项保持默认。如图 26所示。

4.14  求解

双击Run Calculation，设置Time Step Size为0.1，Number of Time Steps为1000，Time Stepping Method为Fixed，Max Iterations/Time Step为20。如图 27所示。

5 后处理

5.1 迭代残差曲线

迭代残差曲线如图 28所示。

5.2 云图显示

5.2.1 创建x=0平面

单击Setting Up Domain工具栏选项卡中Surface选项卡中的Create->Iso-Surface，Surface of Constant选择Mesh，X-Coordinate，Iso-Values设置为0，From Zones选择fluid，New Surface Name为Plane-4。如图 29所示。

5.2.2  体积分数云图

双击左侧树Results下的Contour，创建云图，Contour-of选择Phase的Volume fraction，Phase选择water-vap，Options中勾选Filled，Surfaces列表中选中plane-4，单击Save/Display，如图 30所示。显示结果如图 31所示。

5.2.3  速度分布云图

将Contour-of设置为Velocity的Velocity Magnitude，Phase为mixture，Surfaces列表中选中plane-4，单击Save/Display，如图 32所示。显示结果如图 33所示。

5.2.4  密度分布云图

将Contour of 设置为Density的Density，Phase为mixture，Surfaces列表中选中plane-4，单击Save/Display，如图 34所示。显示结果如图 35所示。

5.3 矢量图显示

双击左侧树Vectors，如图19所示，在Surface中选择Plane-4，Vectors of选为Velocity，Scale设置为15，Skip设置为0，单击Apply，如图 36所示，结果如图 37所示。

6  结论

本算例通过Fluent的VOF模型和蒸发-冷凝模型模拟了传热沸腾问题，结果表明该模拟能很好的模拟沸腾过程中水由液体转化成气态的过程。有关模拟结果的进一步对比分析可以根据传热学理论进行，此处省略。

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