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作者:阿贤懂科研 发表于 2022-1-18 14:13:48
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传统热传主要通过「传导」、「对流」、「辐射」等机理进行,或以此三种型态混合交互传递。随着状态改变的热传递过程,称之为相变(Phase Change)(如沸腾的水吸收汽化热后变成蒸气,水凝固成冰或冰融化成水等);工程上许多应用都会发生不只一个相的传热过程,例如冷凝器、热管及热交换器等。
本例针对应用制作模型,通过ANSYS Fluent仿真软件中多相流模块VOF及Evaporation-Condensation来实现背景为空气的液态水,受热后形成水蒸气的相变化过程。
模型如下。相变化为一瞬态仿真过程,我们启动ANSYS Fluent Transient选项及定义Gravitational Acceleration重力方向,并启动能量方程式Energy。计算多相流动,我们开启ANSYS Fluent中的多相流(Multiphase Model)模块VOF,并采用Explicit。Explicit实行Geo-Reconstruct离散方法,其特征如下:
  • 网格质量的要求较Implicit为高
  • 考虑表面张力(Surface Tension)问题时,较Implicit具备更高的准确性
  • Explicit及Implicit皆可设置稳态及瞬态计算,但考虑准确度及稳定性,Explicit建议仅用于瞬态
  • 提升稳定性方面,Explicit时间步长控制采Courant Number, CFL方法,稳定性较Implicit高

      CFL定义如下:               
上述分子为前后时间步长变化率,分母为网格大小与当下速度的比值。也就是说,设置的时间步长越小,CFL会越小;单网格尺寸控制越小,CFL会越大;流动变化速度越小,CFL则会越小。 默认CFL限制为0.25,每次时间步长迭代都会监测当下CFL的数值,在ANSYS Fluent Console窗口中会显示该数值。若CFL超过0.25,尤其超过25以上,则每一次跌代都会耗费巨量时间,最终很可能超过最大限制250而发散。建议当CFL超过两位数以上,务必修正CFL的参数,特别是可以从时间步长改小先进行。 在VOF中,我们设置Number of Eulerian Phases为3;包含了背景空气(Air)、液态水(Water-Liquid)及气态蒸气(Water-Vapor)三个相。你可以从Fluent材料设置库中搜寻到这些材料作为分析使用。 管内流动勾选表面张力模块。
液态水变化至蒸气的机制选择Evaporation-Condensation模块。Evaporation-Condensation可计算液态质量变化传递至气态的模型,Lee Model已将水的相变化模型自带导入ANSYS Fluent中,你可设置水的饱和温度为373K,及沸腾温度,或更详细地设置环境饱和蒸汽压力及饱和温度的关系。
加热壁面:本例模型为加速蒸发沸腾现象,给予一较高的热通量做加热用。
设置初始水量:ANSYS Fluent通过Patch功能对水量位置及大小做设置。
首先我们在Solution/Initialization中给予放入液态水之前的工况状态,如温度/压力等状态...
当点击Initialize后,右侧Patch便唤起可作设置;进行Patch前,需先对液态水的位置跟大小作设置后,才能Patch于指定区域。
在Domain/Adapt/Cell Registers/New/Region中,输入我们要实现液态水体积的坐标位置。
通常我们会选择采Inside来设置,输入的X, Y, Z坐标范围仅有在计算域内的才会建立出,因此,我们可大胆地把范围设定在模型的极限坐标之外。上述完成后,我们点击Patch进行设置。
本例进行Patch的目的是要将已经设定好的水,放入我们模型中做分析,在Registers to Patch内选region_0 (这是上面所建立出来的区域),Phase选Water,并点击Volume Fraction设置Value=1.0(百分之百的水)。通过此法,我们可将设计好的多相流区域(通常是液态)指定好状态及数值,予以导入。
瞬态仿真一般会进行固定时间节点的结果汇出,Solution/Calculation Activities/Autosave (Every Time Steps)可设定多少Time Step做汇出Data的动作;若模型涉及到动态网格或滑动网格,那么会连同Case需要一并汇出。详细的汇出技巧与后处理有关,我们后续会有数个后处理培训做说明。 从所存取下来的Data档案,通过CFD-Post瞬态处理技巧,我们将不同时间节点的结果合并在一起,如下:
                                                                                 




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