相变分析数值模拟实例详解

相变分析数值模拟实例详解
实例——水结冰过程分析
1、问题描述
有一圆柱体水缸，缸内盛放着高度为100mm的水，如图7.16所示，缸内水的初始温度为0℃，周围空气温度为-10℃，对流系数为12.5W/(m2•℃)，水的热性能参数见表7.3（水缸材料对水温的影响忽略不计）。

试求：
在时间t=30分钟时，水或冰的温度场分布；
在时间t=120分钟时，水或冰的温度场分布，并绘制X轴和Y轴上各点温度随距离的变化关系曲线；绘制A、B、C、D各点温度随时间的变化关系曲线。

表7.3 水热性能参数
温度℃密度
Kg/m3
导热系数
W/(m•℃)
焓
J/m3
-10 1000 0.6 0
-1 1000 0.6 3.78e7
0 1000 0.6 7.98e7
10 1000 0.6 1.22e8
图8.16 水缸纵截面示意图
2、三维建模
应用Pro-E软件对流体计算域进行三维建模，实体如图7.17所示：
图7.17 水缸三维实体图
3、网格划分
采用流动传热软件CFX的前处理模块ICEM对计算域进行网格划分，得到如图7.18所示的六面体网格单元。

流场的网格单元数为1920，节点数为2511。

图7.18 水缸网格图
4、模拟计算结果及分析
采用流动传热软件CFX非稳态计算，定义圆柱水缸内水的热传导系数为0.6 W/(m•℃)，水的初始温度为0℃，周围空气对流传热系数为12.5W/(m2•℃)，空气温度为-10℃。

求解时选取Thermal Energy传热模型。

水缸表面边界条件为-10℃温度载荷。

求解方法采用高精度求解，时间步长为60s，总的时间为7200s。

计算收敛残差为10-4。

图7.19为t=30分钟时，温度场分布等值线图
图7.20为t=120分钟时，温度场分布等值线图
图7.21为X轴上各点温度随距离的变化关系曲线；
图7.22为Y轴上各点温度随距离的变化关系曲线；
图7.23为A、B、C、D各点温度随时间的变化关系曲线。

数据文件及结果文件在phase change 文件夹内。

图7.19 t=30分钟时温度场分布图
图7.20 t=120分钟时温度场分布图
图7.21 X轴上节点温度随距离的变化关系曲线
图7.22 Z轴上节点温度随距离的变化关系曲线
图7.23 A、B、C、D四点温度随时间的变化关系曲线。