附加惯性力作用下竖直矩形流道内过冷流动沸腾的数值模拟
竖直矩形细通道内的水沸腾换热特性
竖直矩形细通道内的水沸腾换热特性常威;张树生;程林;郭雷【摘要】以宽度为1.0mm和0.1mm的竖直矩形细通道内的沸腾换热特性为研究对象,运用数值模拟的方法探索气泡生成、长大和脱离的过程,通过几何重构和界面追踪的方法获取相界面移动和变化对系统内压差以及平均表面换热系数的影响.计算中考虑重力、表面张力和壁面黏性的作用.研究结果表明:通道宽度的不同对气泡生长方式和气泡形态产生很大影响,且核态沸腾换热系数随着细通道宽度的减小而增大;表面张力在细通道沸腾换热过程中所起的作用明显增大,证明细通道有强化换热的作用;由于数值计算中进行了理想化假设,导致数值模拟的沸腾传热系数比现有细通道沸腾传热实验传热系数普遍偏高.%In order to study the characteristics of boiling two-phase heat transfer in vertical rectangular mini-channels with width of 1.0 mm and 0.1 mm, a numerical simulation was conducted to explore the course of bubble generation, growing up and departure from the wall. Gravity, surface tension and the wall adhesion were taken into consideration, the effect caused by the interface movement on the system pressure difference and the average surface heat transfer coefficient was also discussed by using the geometry reconstruction and interface tracking method. The results show that the variation of channel width has great influence on the course of bubble growth and motion. As the channel size decreases, the nucleate boiling heat transfer coefficient increases obviously, proving that the mini-channel can enhance the heat transfer. However, due to some idealized assumptions, the boiling heattransfer coefficient of the numerical simulation is higher than the existing experimental value.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)002【总页数】6页(P743-748)【关键词】核态沸腾;强化换热;气泡动力学;数值模拟【作者】常威;张树生;程林;郭雷【作者单位】山东大学热科学与工程研究中心,山东济南,250061;山东大学热科学与工程研究中心,山东济南,250061;山东大学热科学与工程研究中心,山东济南,250061;山东大学热科学与工程研究中心,山东济南,250061【正文语种】中文【中图分类】TK124现代工业的蓬勃发展迫切要求设计出高效紧凑式换热设备，以减小体积，提高换热效率。
【国家自然科学基金】_过冷流动沸腾_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
科研热词 窄流道 过冷沸腾 相间传输模型 液氮 流动过冷沸腾 汽泡生长模型 汽泡动力学 汽泡凝结 数值计算 换热系数 壁面传热传质模型 双流体模型 压力效应 vof模型
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
科研热词 过冷沸腾起始点 过冷沸腾 蒸汽发生器 窄缝 界面形状 球床水冷反应堆 滑移汽泡 浮升 数值模拟 感应加热 内热源球床通道 二回路 两流体模型
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号
科研热词 1 过冷沸腾 2 汽泡生长11年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
2011年 科研热词 过冷沸腾 附加惯性力 过冷流动沸腾 起始时间 脉冲宽度 脉冲加热 竖直环形管路 液氮 沸腾 汽泡起飞直径 汽泡滑移 汽泡动力学 气泡行为 数值模拟 换热分析 微尺度 弹状汽泡 垂直环形通道 可视化 受力平衡模型 vof musig模型 推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
科研热词 窄流道 汽化核心密度 过冷流动沸腾 过冷沸腾 过冷度 液氮 流动沸腾 汽泡生长 气泡脱离频率 气泡脱离直径 核态池沸腾 指数模型 微重力 marangoni效应
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
矩形通道过冷沸腾可视化实验研究
Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2023, 11(3), 231-238 Published Online July 2023 in Hans. https:///journal/nst https:///10.12677/nst.2023.113025矩形通道过冷沸腾可视化实验研究黄家坚1，钟明君2，袁 园1*，周 源1*，王 丽31四川大学物理学院，四川 成都 2中国核动力研究设计院，四川 成都 3中山大学中法核科学与技术学院，广东 珠海收稿日期：2023年5月31日；录用日期：2023年7月14日；发布日期：2023年7月21日摘 要板状燃料组件冷却剂通道狭窄，与常规圆管通道内的气泡生长不同，其受限流道将引发气泡形变、局部湍流变化等问题，对气泡的聚合、破碎、形变等造成严重影响。
为了解矩形窄缝通道内的气泡生长行为和两相流型变化，文章以去离子水为工质，对一面加热三面可视的长宽为0.5 mm × 2.0 mm 的矩形窄缝通道内气泡生长过程进行可视化实验研究，给出了在系统压力0.5~1.0 MPa ，入口流量50~200 kg/(m 2∙s)，过冷度低于40 K ，沸腾段壁面热流密度100~500 kW/m 2条件下的局部空泡份额变化特性，得到了过冷沸腾工况下的气泡生长行为和泡状流到弹状流动区域的流型转变特性，并给出了经可视化图像后处理程序测得的时均空泡份额。
关键词矩形通道，过冷沸腾，泡状流，弹状流，可视化方法Visualization Experiment ofSubcooled Boiling in Rectangular ChannelJiajian Huang 1, Mingjun Zhong 2, Yuan Yuan 1*, Yuan Zhou 1*, Li Wang 31College of Physics, Sichuan University, Chengdu Sichuan 2Nuclear Power Institute of China, Chengdu Sichuan 3Sino-French Institute of Nuclear Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Zhuhai GuangdongReceived: May 31st , 2023; accepted: Jul. 14th , 2023; published: Jul. 21st , 2023*通讯作者。
竖直管内R113降膜流动数值模拟
2016年 1 0 月 2 4 日收到
国家重点研发计划( 2016YFB0601404)、
膜流动及其装置技术的研究。 降膜特性和液侧传热一直是降膜蒸发设计的重
要课题。李洪涛[3]基 于 C F D 方法试验研究自由下 降 液 膜 厚 度 无 接 触 测 量 和 液 膜 破 断 特 性 。 Liu 等 [4’5]通过试验研究了降膜相界面的稳定性和界面 波动规律。Seban等 [6]研究表面波对输运特性影响 机 制 。Sekiue等 [7]观 测 了 液 膜 流 动 特 性 。 Griinig 等 [8]可视化测量研究了 wetted-wire packing降膜流
第 17卷 第 18期 2017年 6 月 1671 — 1815(2017)18-0063-06
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 17 No. 18 Jun. 2017 © 2017 Sci. Tech. Engrg.
能源与动力工程
竖直管 内 R113降膜流动数值模拟
王为术1 王 涛 1 彭 岩 2 上官闪闪1 时小宝2 赵冰超1
( 华北水利水电大学热能工程研究中心1 ,郑 州 4 5 0 0 4 5 ;中信重工机械股份有限公司2 ,洛 阳 471003)
二维矩形弹性液舱内液体晃荡数值模拟研究
二维矩形弹性液舱内液体晃荡数值模拟研究张秋艳;任冰;蒋梅荣【摘要】阐述ADINA数学模型及相关数值方法,以二维矩形刚性液舱模型为例模拟液体晃荡,将所得的结果与解析解进行比较,验证该模型的有效性；通过数值模拟,研究二维矩形弹性液舱内的液体晃荡,分析不同刚度、不同频率对液体晃荡自由液面波高运动的影响.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2012(041)004【总页数】6页(P11-15,20)【关键词】液体晃荡;流固耦合;弹性液舱;ADINA【作者】张秋艳;任冰;蒋梅荣【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】U674.13以往对液体晃荡问题的研究均视液舱为刚性液舱[1-3]，这与实际情况不相符。
实际上液舱都具有一定的弹性。
当液舱结构为弹性时，舱内液体与结构将会相互耦合作用，这将会急剧地改变晃荡冲击压力与液体自由液面的非线性运动。
尤其当晃荡冲击压力的作用时间与弹性结构的湿周期相近或者处于同一量级时，较之刚性结构，弹性结构的动态响应与液体的压力可能会急剧增大，这时就要研究其中的流固耦合和水弹性问题了[4-6]。
本文采用ADINA-FSI模块来研究纵荡激励下二维矩形弹性液舱内的液体晃荡问题。
1 数值模型1.1 基本假定假设流体为不可压缩的粘性流体，结构为线弹性材料。
流体与结构在流固耦合接触面上法向不直接脱离，只沿切向滑动，即流体与结构在接触面上任意时刻法向位移都是相等。
1.2 控制方程1.2.1 结构运动基本方程线弹性结构小变形时在直角坐标系中的运动方程为(1)应变率满足(2)式中：应变率张量；Fis——结构体积力分量；ρs——结构质量密度；结构质点在坐标i方向上的位移及加速度分量。
1.2.2 流体域内N-S方程和连续方程流体域内ALE描述二维不可压缩粘性流体的N-S方程和连续方程为式中：u，v——x和y方向的速度；gx，gy——x和y方向的体积加速度；p——流体压力；ρ——流体密度；υ——流体运动粘滞系数。
竖直环形通道内液氮流动沸腾的数值模拟
垂直上升管内气液两相流动特性的数值模拟
2006年第5期 总第153期低 温 工 程CRYOGENICSNo.5 2006Sum No.153垂直上升管内气液两相流动特性的数值模拟何鸿辉 刘国青 刘波涛（北京卫星环境工程研究所 北京 100029）摘 要：某空间模拟器的液氮制冷系统采用了结构简单、可靠性高、最节能的重力自循环系统。
基于气液两相流理论，建立了垂直上升管内液氮气液两相流动的一维均相流模型；数值模拟不同入口压力下的管内压力、质量流量、管壁温度和质量含气率等参量，研究其变化规律。
计算结果表明，建立的数学模型能够详细描述重力自循环系统垂直上升管内液氮流动的流体动力特性，为空间模拟器液氮制冷系统的研制提供了重要的基础数据和理论参考依据。
关键词：气液两相流 数值模拟 液氮 重力自循环 空间模拟器中图分类号：TB663，V573 文献标识码：A 文章编号：1000-6516（2006）05-0022-05收稿日期：2006-06-12；修订日期：2006-07-13Numerical simulation of gas-liguid two phase flowin the vertical tubeHe Honghui Liu Guoging Liu Botao（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering ，Beijing 100029，China ）Abstract ：The naturai circuiation system with simpie construction ，high reiiabiiity and efficient ener-gy saving was appiied in the iiguid nitrogen refrigeration system of space simuiator.One-dimensionai hom-ogeneous modei based on the gas-iiguid two-phase fiow theory was estabiished.The pressure ，the mass fiux ，the waii temperature and the porosity parameters were simuiated numericaiiy.The reguiarity varied with the time-space was studied.The resuits showed the mathematicai modei couid describe the hydrody-namic characteristics of iiguid nitrogen in the verticai tube and provided the important originai dada and theoretic reference for the deveiogoment of the iiguid nitrogen refrigeration system of space simuiator.Key words ：gas-iiguid two-phase fiow ；numericai simuiation ；iiguid nitrogen ；naturai circuiation ；space simuiator1 引 言某真空热试验设备，主要由热真空系统（包括真空系统、液氮系统、控制系统等）和太阳模拟器系统组成，可模拟太空的真空、冷黑及太阳辐照环境。
流体流动数值模拟(2020年整理).doc
流体流动现象普遍存在于自然界及多种工程领域中。
所有这些流动过程都遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒等基本物理定律；而且流动若处于湍流状态，则该流动系统还要遵守附加的湍流输运方程。
本讲座将依据流体运动的特性阐述计算流体动力学的相关基础知识及任务；在流体运动所遵循的守恒定律及其数学描述的基础上，介绍数值求解这些基本方程的思想及其求解过程。
第一节计算流体动力学概述计算流体动力学（CFD）技术用于流体机械内部流动分析及其性能预测，具有成本低，效率高，方便、快捷用时少等优点。
近年来随着计算流体力学和计算流体动力学及计算机技术的发展, CFD技术已成为解决各种流体运动和传热，以及场问题的强有力、有效的工具，广泛应用于水利、水电，航运，海洋，冶金，化工，建筑，环境，航空航天及流体机械与流体工程等科学领域。
利用数值计算模拟的方法对流体机械的内部流动进行全三维整机流场模拟，进而进行性能预测的方法越来越广泛地被从事流体机械及产品性能取决于各种场特性的设计、科研等科技人员所使用；过去只有通过实验才能获得的某些结果或结论，现在完全可借助CFD模拟的手段来准确地获取。
这不仅既可以节省实验资源,还可以显示从实验中不能得到的许多场特性的细节信息。
一、什么是计算流体动力学计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和有热传导等相关物理现象的系统所做的分析。
CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理场（如速度场和压力场，以及热力场等），用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替；并通过一定的原则和规律建立起关于这些离散点上的场变量之间关系，从而组成这些场变量之间关系的代数方程组；然后求解这种代数方程组，来获得这些场变量的近似值[1-3]；这就是流动的数值计算。
或者直观地说，通过数值计算中的各种离散方法，把描述连续流体运动的控制偏微分方程离散成代数方程组，由此建立该流动的数值模型；再根据问题的具体情况，设定边界条件和初始条件封闭方程组；然后通过计算机数值计算求解这种代数方程组，从而获得描述该流场场变量的某些运动参数的数值解。
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附加惯性力作用下竖直矩形流道内过冷流动沸腾的数值模拟魏敬华;潘良明;徐建军;黄彦平【摘要】The additional inertial forces caused by rolling conditions would affect the two-phase flow pressure drop and the forces acting on the bubbles. Numerical simulation of subcooled flow boiling in a vertical rectangular channel under the effect of additional inertial forces has been carried out considering the energy and mass transfer during phase change. The two-phase flow model of volume-of-fluid (VOF) was adopted. The liquid-vapor interface was captured using the piecewise linearity interpolation calculation (PLIC) geometry restructuring method. The pressure, velocity, temperature distribution around an isolated bubble, the secondary flow phenomenon caused by evaporation and condensation, and the evolution of velocity vector during bubble coalescence were obtained, which agree well with the results in literature. Compared with motion less conditions, the pressure drop was enlarged by the effect of additional inertial forces. In subcooled flow boiling, the pressure drop fluctuates because of the vapor generation. The fluctuation becomes more severe while heat flux increases. Compared with the effects of other forces acting on bubbles, the effect of additional inertial forces can be neglected. However, the fluctuation of flow rate caused by rolling would change the shear lift force, drag force and hydrodynamic pressure force significantly and influence the heat transfer in boiling flow.%摇摆条件下附加惯性力的作用会对两相流动的压降及汽泡受力产生影响.考虑相变能量和质量输运,采用流体体积(VOF)多相流模型对附加惯性力条件下竖直矩形流道内过冷流动沸腾进行了数值模拟.汽液界面位置通过分段线性插值(PLIC)的方法获得.模拟结果获得了孤立汽泡周围压力、速度、温度分布以及二次流动现象,分析了汽泡聚合过程汽泡形态及内部速度矢量的演变过程,模拟结果与文献中结论吻合良好.附加惯性力作用使得流动压降比静止条件下要大,过冷流动沸腾压降由于汽相产生会在单相流动的基础上产生波动,且热通量越大,压降波动幅度越大.摇摆产生的附加惯性力相对汽泡所受的其他力而言可以忽略不计,而摇摆导致的流量波动会改变汽泡受力大小,进而影响沸腾换热.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2011(062)005【总页数】7页(P1239-1245)【关键词】数值模拟;附加惯性力;过冷流动沸腾;汽泡动力学;VOF【作者】魏敬华;潘良明;徐建军;黄彦平【作者单位】低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室(重庆大学),重庆400044;低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室(重庆大学),重庆400044;中国核动力研究设计院反应堆工程所,四川成都610041;中国核动力研究设计院反应堆工程所,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TK124由于车辆、轮船等设备上的换热管道可能因为道路颠簸、风浪作用等产生附加加速度[1],造成了两相流动和换热呈现与静止流道不同的特征,影响到流场、温度场及两相流流型。
若采用静止条件下的方法计算,则会影响其精度。
在高热通量场合,可能会进一步影响其流动不稳定性及临界热通量的结果。
由于附加惯性力作用下两相流流场的复杂性,对其汽泡动力学研究还极少。
汽泡动力学涉及汽泡的形成、生长、浮升及汽泡的聚合、萎缩、破灭等过程。
常用的数值模拟方法包括VOF（volume of fluid）[2-3]、Level Set[4]、Lattice-Boltzman[5-6]以及 M PS[7]等方法。
Yang等[2]采用 VOF方法对水平盘管内R141B的过冷流动沸腾进行了模拟,获得了两相流动特性和温度分布。
Son等[4]采用Level Set方法对水平面上高热通量下的核态沸腾进行了数值研究,获得了一些汽泡动力学特征。
Yang等[5]基于二维九速度格式（D2Q 9）的LB方法对汽泡聚合行为进行了数值模拟,获得了一些有益的结论。
VOF方法在处理三维汽泡相互作用及界面的融合问题上有突出的优点,且节省计算存储空间。
本文采用VOF两相流模型对附加惯性力作用下竖直矩形流道内过冷流动沸腾进行了研究。
考虑了汽液两相间质量、能量交换,并对动量方程进行修正,获得了附加惯性力作用下过冷流动沸腾单泡、汽泡聚合的动力学特性以及摇摆和静止条件下压降及汽泡受力特性。
几何模型为X×Y×Z=2 mm×20 mm×5 mm竖直矩形流道,Y向向上,进、出口边界条件分别采用质量流量进口和压力出口,加热壁面为定热流条件,其他壁面绝热,水由下而上流动。
采用正六面体网格。
当网格数分别为 200000、393750和675000时,与网格数为912087计算得到的壁面平均传热系数的偏差分别为21.6%、11.4%和4%,同时考虑到计算机的计算能力,网格数定为675000个单元。
2.1 附加惯性力作用数学模型非惯性坐标系下流体所受质量力 f除了重力g外,还包括平移惯性力a;摇摆所产生的离心惯性力ω×（ω×r）、切向惯性力ε×r以及科氏力2ω× ur。
其中 a、ω、ε、r、ur分别代表非惯性坐标系的平移加速度、转动角速度、转动角加速度、转动半径和相对运动速度。
为了特别考虑摇摆造成的影响,本文不考平移加速度,即 a=0,且只考虑在X Y平面内的摇摆,摇摆运动规律可看成简谐运动[8]其中,t0为摇摆周期,t为时间,θm为最大摇摆角度。
本文取最大摇摆角度为30°,摇摆周期为1 s。
2.2 VOF模型控制方程VOF模型[9]中,对第 q相流体的体积分数记为αq,则αq=0的容积不含第 q相流体;αq=1的容积充满第q相流体;0＜αq＜1则该控制容积处在相界面的位置。
控制容积中所有相体积分数之和为1。
2.2.1 容积比率连续性方程汽液界面追踪首先要求解各相容积比率连续性方程获得其体积分数,通过分段线性界面算法（PL IC）几何重构界面位置其中,i分别为液相 l和汽相 v,M为相变质量源项。
2.2.2 动量方程其中,Fσ为表面张力动量源项,通过连续表面力（CSF）模型[10]计算。
F为非惯性坐标系其他动量源项。
2.2.3 能量方程Q为相变能量源项。
2.3 各源项的表达2.3.1 质量源项根据Lee模型[11],在汽液界面上若T≥Tsat,则控制容积中液相蒸发,质量从液相向汽相传递;若T＜Tsat,则控制容积中汽相冷凝,质量从汽相向液相传递。
即根据 Yang等[2]的研究取 Cl=Cv=100 s-1。
2.3.2 能量源项能量源项为质量源项乘以该压力下对应的汽化潜热得到。
2.3.3 动量源项 X、Y和 Z三个方向上的附加惯性力动量源项用矢量可表示为其中,e代表单位矢量。
3.1 物性参数及计算工况汽液两相均为不可压牛顿流体,水物性根据入口温度和系统压力确定,水蒸气物性取压力对应的饱和蒸汽物性。
模拟在0.1 M Pa系统压力、300 kg·m-2·s-1质量流速以及10 K入口过冷度下进行,工况如表1所示。
3.2 孤立汽泡附近流场特性取典型工况2分析。
t=96 m s时空泡份额、压力、速度以及温度分布如图1所示。
在图1（a）中A—A截面内汽泡周围的压力、速度矢量及温度分布如图1（b）～（d）所示。
由图1（b）,汽泡1和汽泡2内外压差分别为250 Pa和150 Pa,根据Young-Lap lace方程计算得到的汽泡内外压差分别为279 Pa和149 Pa,二者基本吻合。
由速度矢量图1（c）可以看出泡内存在二次流动。
在汽泡底部,微液层温度高于系统压力对应的饱和温度而蒸发,质量由液相向汽相传递,矢量指向泡内;在汽泡中上部,由于外部液体温度低于饱和温度而冷凝,质量由汽相向液相传递,矢量指向泡外。
该与Panneer等[12]如图1（e）所示的模拟结果一致。
A—A面内的温度分布如图1（d）所示。
泡内的温度和温度梯度均比液相高很多,在越靠近加热壁面的地方,汽泡内部的温度越高,这与 Yang等[2]如图1（f）所示的结论相同。
在汽液界面处,温度维持在饱和温度373 K附近。
在汽泡2的右下侧虚线框区域内温度为370 K左右,即该区域的汽相受到冷凝作用,所以才会出现图1（c）中速度矢量指向液相区,汽相质量向液相传递的现象。
3.3 汽泡聚合在旺盛泡态沸腾阶段,壁面上的汽化核心增多,在壁面上汽泡会相互重叠并聚合形成大汽泡或汽块,汽泡聚合过程对周围液体的扰动加强了壁面和主流的换热。
典型工况2下两个汽泡聚合过程如图2所示。
由图可以看出,当两汽泡（如虚线框内所示）的中心距足够小时,它们之间只存在一很薄的液桥,液桥破裂即发生聚合。