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。

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。

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。

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。

Vol. 53 , No. 11Nov . 2019第53卷第11期2019年11月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnology基于OpenFOAM 的过冷流动沸腾数值模拟秦浩，王明军，李林峰,田文喜，苏光辉,秋穗正"(西安交通大学陕西省先进核能技术重点实验室，动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049)摘要：过冷流动沸腾现象被广泛应用于工业生产和动力系统中，对该现象的准确预测是两相流CFD 模拟的重要研究方向％本文详细阐述了该模拟过程中的欧拉两流体模型及相关辅助模型，基于开源CFD 平台OpenFOAM,模拟了 4.5 MPa 下竖直圆管内的过冷流动沸腾，得到了截面空泡份额、液相平均温度及壁面温度沿轴向的分布％计算结果与实验值符合良好，说明了模型的有效性和程序的正确性％本文 可为在OpenFOAM 中添加新的模型及开发新的求解器以模拟过冷流动沸腾问题提供参考％关键词:OpenFOAM ；过冷流动沸腾;数值模拟中图分类号：TK121文献标志码:A 文章编号：10006931(2019)11215705doi ：10. 7538/yzk. 2018. youxian. 0734Numerical Simulation of Subcooled Flow BoilingBased on OpenFOAM PlatformQIN Hao , WANG Mingjun , LI Linfeng , TIAN Wenxi , SU Guanghui , QIU Suizheng "(.Shaanxi Key Laboratory of Advanced Nuclear Energy and Technology ,State Key Laboratory of Multiphase Flo: in Poxver Engineering ,XHn Jiaotong University , Xi/n 710049 , China)Abstract : Subcooled flow boiling is widely utilized in industrial production and powerplant Accurateprediction of this phenomenon is an important research field oftwophaseflow CFD simulation Eulerian-Euleriantwofluid modelandrelevantauxiliarymodelswereclarifiedinthispaper The subcooled flow boiling in a vertical heated tube under4.5 MPa wassimulated based on OpenFOAM platform !theopensourceplat-form The void fraction !fluid averagetemperature and the wa l temperature were obtained Thesimulationresultsagreewe l withtheexperimentaldata !i l ustratingthevalidity of the models and the prediction capacity of the code Thispaper mayprovidevaluablereferenceforsimulationofsubcooledflow boilingbasedon OpenFOAM plat ­form by adding new models or developing new solvers.Key words ： OpenFOAM ； subcooled flow boiling ； numerical simulation收稿日期20180927；修回日期：2019-03-10基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(11705139)作者简介:秦 浩(1995-),男，山东济南人，硕士研究生，核能科学与工程专业"通信作者：秋穗正，E-mail ： szqiu@mail. xjtu. edu. cn网络出版时间 2019-04-04；网络出版地址:http :#kns. cnki. net/kcms/detail/11. 2044. TL. 20190403. 1020. 008. html2158原子能科学技术第53卷过冷流动沸腾指主流中液相温度低于饱和温度，而近壁面处发生局部沸腾的两相流动换热现象％相比于单相对流换热，过冷沸腾具有较高的换热效率，因此在能源与动力工程等行业中被广泛应用％国内外学者均在探索基于计算流体动力学(CFD)方法来研究两相流动换热问题)12*%Krepper等3采用Bartolomei等⑷开展的压力范围在1.5(15MPa间的实验数据对商用软件CFX中的过冷沸腾模型进行了验证％Cheung等5研究了核化密度、气泡脱离直径和气泡脱离频率等不同模型组合对低压过冷流动沸腾实验的适用性，发现任一经验关系式组合的计算结果都不能与所有低压实验数据良好符合％Zhang等6研究了不同湍流模型对数值模拟结果的影响，认为模型较J p模型效果好％陈二峰等7和李松蔚等8修正了CFX中的气泡脱离直径模型，模拟了低压工况下的过冷沸腾％目前主流的商用CFD软件中均包含两相流的求解模块，可基于欧拉两流体模型或VOF (体积分数)模型求解两相流场％但商用软件封装严格，开放程度弱，对用户的自主开发有明显的限制，在求解复杂的两相流问题时，很多模型难以修改或添加，从而不一定能满足用户的科研需求％而采用C++语言编写的开源CFD 类库OpenFOAM以其面向对象编程、大规模并行能力及开放的编程环境等优势逐步在学术及工程领域得到广泛应用%目前，OpenFOAM 在海洋与船舶工程、化学工程等方向的数值模拟已取得了良好的效果％基于该开源平台添加模型或开发新的求解器以模拟过冷流动沸腾现象将是两相流研究的一个重要方向％本文以4.5MPa下竖直圆管内过冷流动沸腾现象为研究对象，阐述数值模拟所采用的数学物理模型，包括欧拉两流体模型及相关辅助模型，基于OpenFOAM平台进行模拟％1数学物理模型本文基于欧拉两流体六方程模型，考虑了气液两相间质量、动量和能量的传递，并引入壁面热流密度分配模型以描述壁面沸腾现象％1.1相间动量交换模型由牛顿第三定律可知，气相对液相的作用力F g与液相对气相的作用力大小相等、方向相反，即：F ig⑴因此本节仅对液相对气相的作用力进行描述％弥散在液相中的气泡受到来自液相的作用力可分为曳力M A和非曳力，非曳力又包括升力％\壁面润滑力M"、湍流耗散力M*』和虚拟质量力MT m，则气泡总的受力情况可表示为：M=M d+M'+]M wl+MT d+M,m(2) 1.2壁面热流密度分配模型广泛应用于流动沸腾模拟的壁面热流密度分区模型是RPI模型9,它由提出者Kurul和Podowski就职的伦斯勒理工学院(RPI)而得名％该模型将从壁面传递到流体中的热流密度分为：1)单相过冷流体强迫对流换热Q。