沸腾流仿真技术：探索相变自由表面的奥秘

在气液二相流仿真中，有时会遇到对沸腾流作模拟。近年来，由于所使用电脑的飞速发展，有关混相流课题的流体解析模拟问题差不多都得以解决。即便如此，仍有一些复杂的混相流现象难以进行模拟。

其中之一就是沸腾流。沸腾流虽然在热交换器，冷却系统等许多工业领域中有广泛的应用，但其流动方式会随液体与传热表面的温度差等因素而发生变化，是一种复杂的流动。如果从微观尺度来着手处理沸腾流问题，就必须对传热表面气泡核的生成，及其随后的发展，脱离等过程一一建立模型，目前尚缺乏普遍适用的模拟方法。因此，只能从宏观途径来加以考虑。

图21.1中展示的是，通过自由表面流仿真中的VOF法来模拟沸腾流，对蒸发和冷凝（液化）这样的相变化过程，用F值（即流体体积率）的增减来加以表示，从而建立模型。同时，还考虑潜热的吸收和释放，以及因气液态密度差引起的体积的增减。

上述诸量的变化，在局部区域取得平衡。在此假定的前提下，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Lee于1980年提出了有关蒸发和冷凝的一系列基础方程式，从而建立起一个完整的模型。图21.2就是Lee建立的模型，各个流体单元内的液体温度若高于饱和温度（即沸点）就蒸发，反之就液化。从这一假定出发，根据液体温度与饱和温度之间的差，同时考虑气体与液体密度的不同，从而计算出相变化量的大小。

图21.1 沸腾流的建模

图21.2 Lee建立的模型

接下来，打算介绍这一章的模拟实例。作为第一个实例，首先来看一下图21.3。在一个注了水的方形容器的底部加热，我们来模拟从液相到气相的相变化过程。图中展示了VOF值为0.5的等值面。容器底部被加热，产生了气相（即气泡），由于浮力的作用，气泡徐徐上升，整个过程历历在目。

图21.3 模拟实例之一：在容器底部加热

另外，在气相和液相之间的产生相变化时，物质的密度也随之发生变化。一般说来，气相的密度要比液相的小。在一个封闭的空间里，如果发生液相到气相的相变化，其内部的压力就会随之增大。作为封闭空间的一个仿真实例，我们将尝试对图21.4所示的咖啡虹吸壶进行模拟。与上例中一样，对容器底部加热。真实的咖啡虹吸壶的容器内同时混有空气和水蒸气，模拟时假定其中只有水蒸气。

在模拟过程中可内以看到，下面的容器里产生气泡，同时通过正中细管的水不断上升。其原理可以这样来考虑。下面的容器是一个封闭的空间，由于水的蒸发使其内部压力增大，从而把下面容器里的水通过细管往上推压（左图里，中途界面的颜色改换成咖啡的颜色）。

图21.4 虹吸式咖啡壶（左图：VOF值为0.5的等值面; 右图：压力分布）

作为最后介绍的一个仿真实例，一起来看一个有流动的模型，即热管中的流动。在板状的固体上面安装着管径为3毫米的热管，固体下面加热，通过这样一个模型来模拟热管中的相变化。在热管内，水从近身这一侧的进水口以0.1 m/s的流速流入，从远侧的出水口流出。对板体逐步加热，可以看到，从热管的下部开始有气相发生，并随着水流一起流动。如果进一步作持续加热，气相部份就变得越来越大，最后几乎占据了管道内所有的空间。

图21.5 热管的模拟实例：温度分布云图

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