三十七、Fluent冰块融化模拟

1. 概念

三十七、Fluent冰块融化模拟的图1

物质从液态变为固态叫凝固,凝固时要放热。Fluent不仅可以对蒸发-冷凝进行模拟(参见文章十三和文章三十),还可模拟凝固-融化过程。


相较于蒸发-冷凝模型,Fluent中的融化-凝固要简单很多。下面我们以案例进行讲解。



使用限制:

1.只能与基于压力的求解器一起使用;不适用于基于密度的求解器。

2.不能用于可压缩流动。

3.在一般的多相流模型(VOF、Mixture和欧拉)中,只有 VOF 模型可以与凝固/熔化模型一起使用。



2. 模型描述

三十七、Fluent冰块融化模拟的图2

本例的模型很简单,冰块在高温壁面加热融化,其中底面和右面均为高温壁面,而上面和左面则为绝热壁面。

三十七、Fluent冰块融化模拟的图3


3. 基本设置

三十七、Fluent冰块融化模拟的图4

3.1 导入网格:

使用Fluent软件打开Chapter37.msh.gz网格文件,文件在本文末尾链接资源内。

三十七、Fluent冰块融化模拟的图5


3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸需要将x和y方向同时缩小100倍,关于scale mesh详细设置查看Chapter31 Fluent空化模型

三十七、Fluent冰块融化模拟的图6


3.3 求解器设置

基于压力求解器,瞬态设置,勾选重力

三十七、Fluent冰块融化模拟的图7


4. 设置计算模型

三十七、Fluent冰块融化模拟的图8

4.1 能量方程

打开能量方程

三十七、Fluent冰块融化模拟的图9

4.2 湍流模型设置

三十七、Fluent冰块融化模拟的图10

4.3 融化凝固模型

下图为融化凝固模型的界面,相较于蒸发冷凝模型,非常简单,但是理解起来很有意思。

三十七、Fluent冰块融化模拟的图11

主要参数:Mushy Zone Constant糊状区常数Amush


糊状区常数Amush表示融化过程流动阻力的大小;该值越高,融化或凝固时速度梯度越大。较大的值可能会导致发散。对于大多数计算,建议值介于10000和10000000之间。Amush就是动量源项的一个系数。


关于融化凝固理论问题,内容较多,下一章会详细讲述。


如果使用了组分输运模型,那么融化凝固模型的界面如下。

三十七、Fluent冰块融化模拟的图12

主要是考虑了溶液的凝固点和熔点不同的原因(纯物质的熔点和凝固点相同),如下图,因此不能像纯物质那样直接通过温度判断融化状态了。

三十七、Fluent冰块融化模拟的图13


5. 材料设置

三十七、Fluent冰块融化模拟的图14

5.1 添加water-l材料


三十七、Fluent冰块融化模拟的图15

单击Fluent Database,找到water-liquid,点击copy

三十七、Fluent冰块融化模拟的图16


5.2 修改water材料属性

单击copy后,回到water属性设置界面。单击water后的Edit

三十七、Fluent冰块融化模拟的图17

Solidus Temperature表示固相线温度,对于纯物质即凝固点,Liquidus Temperature表示熔点,对于纯物质,两者相同。对于冰设置为0℃即可。


Pure Solvent Melting Temperature:融化/凝固相变潜热,对于水-冰系统,值为335000J/kg


理论部分下篇文章会详细介绍。


注:

1. 更改温度单位方法

这里为了方便,我们将温度更改为以摄氏度显示。

单击Units,在Quantities找到温度

三十七、Fluent冰块融化模拟的图18

Units选择C,表示选择摄氏度。单击New,

三十七、Fluent冰块融化模拟的图19

保持默认,点击ok即可

三十七、Fluent冰块融化模拟的图20


2. 若使用了多相流,对于不发生相变的物质如空气,其材料属性也会出现Solidus Temperature等参数,如何设置?

三十七、Fluent冰块融化模拟的图21


对于没有熔化或凝固的相,必须将潜热Pure Solvent Melting Temperature、液相线温度Liquidus Temperature和固相线温度Solidus Temperature设置为0K


6. 计算域设置

三十七、Fluent冰块融化模拟的图22

由于没有使用多相流模型,因此需要将两个计算域air和ice都更改为Fluid,材料选择water。

选择air_surface,单击Edit

三十七、Fluent冰块融化模拟的图23

材料选择water,单击apply即可,对ice_surface进行同样的设置。

三十七、Fluent冰块融化模拟的图24



7. 边界条件设置

三十七、Fluent冰块融化模拟的图25
三十七、Fluent冰块融化模拟的图26


单击heat_wall-air_surface,设置边界条件为wall,设置壁面温度为50℃,单击apply。

三十七、Fluent冰块融化模拟的图27

使用copy方法对heat_wall-ice_surface和right进行复制边界条件,设置相同边界条件。


单击left,设置边界条件为wall,设置绝热壁面。使用copy,对top边界进行同样设置。


三十七、Fluent冰块融化模拟的图28




8. 求解方法

三十七、Fluent冰块融化模拟的图29

8.1 求解方法

Solution-Solution Methods

三十七、Fluent冰块融化模拟的图30


8.2 求解控制

Solution-Solution Controls

保持默认即可

三十七、Fluent冰块融化模拟的图31

8.3 残差设置

残差设置保持默认即可

三十七、Fluent冰块融化模拟的图32

9. 初始化

三十七、Fluent冰块融化模拟的图33

由于需要设置流场温度,因此选择标准初始化

三十七、Fluent冰块融化模拟的图34

单击Initialize后,点击Patch,对冰区域设置温度,选择Temperature,Value设置为-1℃,Zone to patch选择ice_surface。将冰区域温度设置为-1℃

三十七、Fluent冰块融化模拟的图35



10. 计算设置

三十七、Fluent冰块融化模拟的图36

Time Step Size设置为0.0001,时间步设置为1000步,每时间步最大迭代次数设置为20.

三十七、Fluent冰块融化模拟的图37


11. 后处理

三十七、Fluent冰块融化模拟的图38

11.1 液相体积分数

由于没有打开多相流,相当于冰块在热水中被加热融化。因此周围液相体积分数为1

三十七、Fluent冰块融化模拟的图39




11.2  液相体积分数动画

三十七、Fluent冰块融化模拟的图40

11.3 温度分布

三十七、Fluent冰块融化模拟的图41





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本来应该放上链接的,但是不知道啥原因,阿里云盘分享不了,百度云盘上传不了,搞了半小时也没成功。因此直接上传的QQ群中了。



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