在 MMP 中对沸腾和冷凝建模

沸腾是液体的快速汽化。当液体加热到沸点（液体的饱和温度 ）时，通常发生沸腾。 T s a t 其饱和蒸气压会变为等于或大于周围液体的压力。

Simcenter STAR-CCM+ 提供以下沸腾/冷凝模型：

  • 基于传热的沸腾/冷凝 - 使用为欧拉多相 (EMP) 模型推导的泡核沸腾方法（请参见沸腾）。泡核沸腾模型由壁面的超热驱动。因此，对于壁面沸腾，混合物始终与壁面接触，液体和蒸汽的对流热通量集总在一起。混合多相 (MMP) 模型仅求解一个混合物温度。
  • 施拉格沸腾/冷凝 - 使用特定动能模型，对液-汽交界面处的沸腾或冷凝率建模，特别是在非平衡条件下。仅支持单组分相。

要设置壁面沸腾模拟，激活基于传热的沸腾/冷凝模型，然后才能激活壁面成核沸腾模型。壁面成核沸腾模型设计用于涵盖压力高达 155 bar 左右的强制流动过冷沸腾，且尽可能减少模型常数标定。因此，它是根据许多简化子模型以机械方式构建的：

  • 壁面干燥面积分数
  • 成核密度
  • 气泡脱离直径
  • 气泡脱离频率
  • 壁面瞬态传导
  • 气泡影响壁面面积分数
  • 气泡引发的淬火热传递系数

可在运行时以图形方式检查每个子模型的输出。如果有适当的实验数据可用，则可以对这些子模型进行校准或替换为用户自定义的关系。实施壁面沸腾子模型的目的是使用指定的所有相和交界面属性（例如密度、饱和焓、表面张力）。

设置欧拉多相流 (EMP) 沸腾模拟：

  1. 在物理连续体中，除了之前选择的模型外，再选择以下模型：
    组合框 模型
    可选模型 分离多相温度
  2. 右键单击多相相互作用 > 相间相互作用 > [相间相互作用] > 模型节点，选取“选择模型”，然后从可选模型组合框中选择以下任一选项：

    • 施拉格沸腾/冷凝

      施拉格沸腾/凝结模型考虑了分子通量，并包含一个调节系数，用于模拟压力差和分子相互作用对汽化和凝结速率的影响。

      请参见施拉格沸腾/冷凝模型参考。

    • 基于传热的沸腾/冷凝

      基于传热的沸腾/冷凝模型模拟总传热率以及汽相和液相的分布，同时考虑强制对流效应。它还提供了包含壁面沸腾的选项，以对壁面边界处的传热建模。

      使用基于传热的沸腾/冷凝模型时，必须将液体指定为主相，将蒸汽指定为次相，同时定义相间的相互作用。

      请参见基于传热的沸腾/冷凝模型参考。

  3. 选择相互作用长度尺度节点，然后指定第一离散流态相互作用长度尺度和第二离散流态相互作用长度尺度。
  4. 选择相互作用面积密度节点，然后指定第一离散流态相互作用面积密度和第二离散流态相互作用面积密度。
  5. 如果使用施拉格沸腾/冷凝模型：
    1. 选择[相间相互作用] > 模型 > 施拉格沸腾/冷凝 > 调节系数节点，然后指定调节系数。
      请参见调节系数属性。
    2. 设置液相和气相的材料属性。
    3. 选择[物理连续体] > 模型 > 液体 > [液体] > 材料属性 > 饱和压力节点，然后选择适合您的模拟的饱和压力方法。
      施拉格模型外推是用于指定液相饱和压力的默认方法。此方法使用 Clausius-Clapeyron 方程根据温度和汽化潜热计算饱和压力。此方法适用于温度和压力明显不同于标准或参考值的模拟。
  6. 如果使用基于传热的沸腾/冷凝模型，选择[相间相互作用] > 模型 > 基于传热的沸腾/冷凝节点，然后指定努赛尔数的值或相关性以控制到沸腾交界面的传热率：

如果要对壁面沸腾建模，确保选择了基于传热的沸腾/冷凝模型，然后继续执行以下步骤。

  1. 重新打开相间相互作用模型选择对话框，然后在可选模型组合框中选择壁面成核沸腾。
    将自动选择壁面泡成核和壁面瞬态传导（淬火）模型。请参见壁面沸腾模型参考。
  2. 选择 [相间相互作用] > 模型 > 壁面成核沸腾节点，然后设置壁面烧干面积分数。

    指定在壁面上应用的热通量中有多少定向到蒸汽对流，而不是液体对流和蒸发。

    请参见壁面干燥面积分数属性。

  3. 设置相应的模拟属性。

    壁面沸腾模型要求为以下项设置有效且精确的数据：

    • 对于参考值 > 重力，确保由重力导致的加速度的作用方向正确。
    • 对于参考值 > 参考压力，如果出口处的相对压力条件设为零，则需要将该值设为预期的出口压力。否则，需要将该值设为设计工作压力。
    • 对于相间相互作用 > 多相材料 > 表面张力，需要为液体-汽体交界面设置饱和温度下的表面张力系数。
    • 对于欧拉相 > 气体 > 分子量，需要为蒸汽相设置适当的材料属性。

壁面沸腾模型具有子模型，用于捕捉沸腾过程的各个方面。建议不要更改这些子模型的默认属性，除非具有支持的实验数据。

一些原始系数的基础是以水作为工作流体。因此，使用非水工作流体时，需要进行一些调整。

Hibiki Ishii 成核点数密度和 Kocamustafaogullari 气泡脱离直径模型的壁面接触角特定于工作流体和沸腾表面的组合。

该壁面接触角为基于室温的标称值，而非在沸腾条件下测量的值。

根据以前用于其他工作流体的相关性调整以下选项：

  • Kurul Podowski 相互作用长度尺度
  • Lemmert Chawla 成核点数密度
  • Tolubinsky Kostanchuk 气泡脱离直径
  1. 选择壁面泡成核节点，然后设置相应属性。

    • 成核密度

      成核密度确定受热面上形成气泡的单位面积位置数目。成核密度属性

      请参见成核密度属性。

    • 气泡脱离直径

      气泡脱离直径确定气泡离开成核点时的直径。

      请参见气泡脱离直径属性。

    • 气泡脱离频率

      气泡脱离频率确定每秒离开成核点的气泡数。

      请参见气泡脱离频率属性。

    • 升空直径（仅当离散相中选择了 S-Gamma 模型时）

      悬浮直径确定气泡的直径，该直径提供给壁面中相应的颗粒尺寸分布模型。

      请参见悬浮直径属性。

  2. 选择壁面瞬态传导节点，然后设置相应属性。

    此模型可以校正气泡引发的淬火热通量，以便通过脱离气泡的操作来使用送至壁面的液体温度。

    请参见壁面瞬态传导属性。

  3. 指定允许壁面沸腾的边界。对于每个壁面边界，执行以下操作：
    1. 选择区域 > [区域] > 边界 > [壁面边界] > 物理条件 > 壁面相间质量传输选项节点，然后将方法设为激活。
      要防止此边界上发生壁面沸腾，将方法设为无。例如，当边界绝热时，使用此选项。
    2. 选择 [壁面边界] > 物理条件节点，然后为相间相互作用中的每个相设置壁热通量用户系数规范。