十三、FLUENT蒸发/冷凝模型

很多同学要研究的问题涉及到相变，如蒸发冷凝问题。对于冷凝，当温度低于当前蒸汽压力对应的饱和温度时就会发生凝结。对于蒸发，蒸发可以在任何温度下进行。Fluent自带有蒸发冷凝模型，确切点说，Fluent自带的相变模型更适用于沸腾和冷凝，其饱和温度是一个定值，当然可以通过UDF使饱和温度改变来模拟蒸发问题。

本例用一个简单的例子来简要描述Fluent蒸发冷凝模型的使用方法。

 

1 模型描述

本例的模型较为简单，如图所示。计算域高1m，宽0.2m。顶部边界为压力出口，底部有一高温壁面hot_wall，温度570K，其他壁面wall为绝热边界。计算域内初始充满0.9m深的水。

 

2 导入网格

打开fluent，导入上步生成的网格模型。Scale检查网格尺寸。

确保计算域尺寸是我们所需要的。本例中x方向尺寸0~0.2m，y方向0~1m。

3 设置求解器

选择压力基(pressure-based)求解器，同时选择瞬态模拟。由于水沸腾时水蒸气会在浮力作用下向出口运动，因此考虑重力。设置重力加速度为重力加速度为y方向，大小-9.81m/s2。

4 设置计算模型

添加多相流模型为VOF模型，设置欧拉相数量为2。这里如果想要产生气泡，需要设置为VOF模型，如果设置了Mixture模型，气液界面不明显，无法产生气泡。

                          

激活能量方程。

此例为层流流动，不激活湍流模型。

5 材料设置

添加材料water-vapor及water-liquid。修改材料属性。

Water-liquid属性：

        Density：1000kg/m3

        Viscosity：0.0009kg/m-s

        Standard state enthalpy：0 j/kgmol

        Reference temperature：298K

      其他采用默认属性。

Water-vapor属性：

        Cp：2014j/kg-k

        Standard state enthalpy：2.99e7j/kgmol

        Reference temperature：298.15K

      其他属性采用默认设置。

6 相设置

设置液态水为主相，水蒸气为第二相。设置气泡直径0.0002m。

定义相间作用，即定义蒸发/冷凝模型。点击interaction按钮进入对话框。选择from phase为water，选择to phase为vapor，即为由液态转化为气态，选择模型为evaproation-condensation。此时弹出模型定义对话框。这里将蒸发系数及冷凝系数都设置为5，饱和温度设置为373.15K。

注：

1. 由于饱和温度为定值，这里的设置实际上是沸腾模型，即只在温度大于饱和温度处发生相变，在气液界面并没有相变产生。可以通过UDF该改变饱和温度的值，实现常温蒸发

2. 冷凝系数和蒸发系数的选取没有特定的规律，有很多文献对这两个值进行了探讨。这两个值过小则相变不明显，值过大，则容易发散。一般需要通过实验来确定这两个系数。

 

7 设置边界条件

本例的边界条件较为简单。

Outlet：采用压力出口，设置出口蒸气含量100%，温度372K

Walls：设置为绝热边界。设置heat flux为0

Hot wall：设置temperature为570K

设置operating conditions，设置参考密度为气相密度0.5542。

8 求解方法

设置pressure-Velocity耦合设置为PISO，volume fraction采用Geo-Reconstruct几何重构算法，能够精确捕捉气液界面。只有在使用VOF模型时，volume fraction才可采用几何重构方法。

在solution controls面板中设置亚松弛因子。设置pressurewie为0.5，momentum为0.2,volume fration为0.2。

9 初始化

初始化时设置temperature为372K。

需要patch两个区域：

1、与hotwall相邻网格节点。由于hotwall温度高达570K，超出水的沸点373.15K，因此需要adapt出hotwall边界相邻节点区域，设置其温度为373.15K。为什么要在加热面patch一个饱和温度？这是因为加热面温度为570K，而实际的蒸发温度为373.15K，沸腾只在加热面处发生，沸腾时温度只能保持在饱和温度。

2、Patch出初始水位。由于初始状态下计算域中有深0.9m的水，因此需要通过patch将其标记出来。

【Adapt】>【boundary】，弹出如图12所示对话框，在boundary zones中选择hotwall，设置number of cells为1，点击mark即可对此区域节点进行标记，下一步进行温度patch。

 

点击patch…按钮，弹出图所示对话框。

下一步patch水位。

点击菜单【Adapt】>【region…】进入区域标记对话框。进行如图14所示设置。

点击mark进行标记。

进入patch对话框，进行如图15所示设置。点击patch完成设置。

此时可以查看云图，以检查patch是否正确。

10 动画设置

设置每4个时间步显示一帧，将动画保存在内存中，这样不必设置保存图片位置。显示蒸汽体积分数。

11 设置计算

设置时间步长0.01s，时间步数1000步，迭代计算。

12.动画显示