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

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