垂直圆管内液氮流动沸腾的理论模型及数值模拟

三维圆管流动状况的数值模拟分析毕业论⽂学⽣姓名：袁洪武学号：20082396学院：⼟⽊⼯程与⼒学学院专业年级：2008⼯程⼒学题⽬：三维圆管流动状况的数值模拟分析指导教师：蒋光彪副教授评阅教师：余敏讲师2012年 5 ⽉摘要在⼯程和⽣活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的⼀种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。

雷诺数是判别流体流动状态的准则数。

本⽂⽤Fluent软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。

⾸先在Gambit⾥建⽴物理模型，分别建⽴直圆管与90度弯圆管的物理模型，并划-⽅程[]1，分⽹格。

选⽤液体流动的质量守恒⽅程、动量守恒⽅程、能量守恒⽅程以及kε分别对层流和紊流采⽤不同的3种⼊⼝流速来对三维圆管内部流体进⾏模拟分析，并在FLUENT软件中以直观的⽅式表⽰出了层流和紊流各种不同速度在圆管中的流动状况，分析讨论其不同流速下的规律、特点。

并通过⼏种理论⽅式计算验证所得到的数值模拟结果的准确性。

结果证明所得到的数值模拟结果与圆管层流、紊流的理论数据相符合。

关键词FLUENT；光滑圆管；湍流；层流；雷诺数；数值模拟Title The numerical simulation and analysis of the flow in the 3D round tubeAbstract:In engineering and life, circular pipe flow is the most common and the simplest flow, and it contains two flow conditions-aminar and turbulent. Reynolds number is used to distinguish the fluid state criterion. This paper is to simulate study of three-dimensional pipe laminar and turbulent flow by Fluent software, which mainly makes analysis on the velocity distribution and the pressure distribution .First, establish physical model in the Gambit, respectively, set straight circular pipe and 90 degree bend pipe physical model, and then, mesh. Selecting liquid flow equation of mass conservation, momentum conservation equation and energy conservation equation of laminar flow and turbulent flow, we can, respectively, use 3 different entrance velocity to make simulation analysis of 3D pipe internal fluid. In Fluent software , this paper expresses the different velocity of laminar and turbulent flow in pipe flow condition in an intuitive way, discussing pattern and characteristics under different flow, and verifies the accuracy of the numerical results through several theoretical method.Results show that the numerical results are Conformed to the theory datas of Laminar and turbulent flow .Keywords:Fluent; Smooth pipe; Turbulent flow; Laminar flow; Reynolds number；Numerical simulation⽬录1 绪论 (1)1.1课题提出的意义 (1)1.2直接数值模拟⽅法简介 (1)1.3主要研究内容 (2)2直接数值模拟⽅法 (3)2.1FLUENT简介 (3)2.2FLUENT的计算过程 (5)2.3控制⽅程 (6)3 在GAMBIT建⽴中模型 (9)3.1直圆管 (9)3.290度弯管 (10)4 在FLUENT中求解计算层流流动 (11)4.1FLUENT的参数设置 (11)4.2直圆管层流计算结果及分析 (12)4.390度弯管层流计算结果及分析 (18)4.4圆管层流数值模拟结果的验证 (22)5 在FLUENT中求解计算紊流流动 (26)5.1FLUENT参数设置 (26)5.2直圆管紊流计算结果及分析 (26)5.390度弯管紊流计算结果及分析 (33)5.4圆管湍流数值模拟结果验证 (35)6 总结与展望 (38)6.1总结 (38)6.2展望 (38)参考⽂献 (39)致谢 (41)1 绪论1.1 课题提出的意义对实际⼯程中⼤量存在的边界形状复杂的区段内的流动，鉴于其复杂性和测量的困难性，实验往往只能给出总流的参数，却⽆法给粗区段内详细的流场信息，⽽数值模拟能够给出相关流场的具体信息[]2。

竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究一、引言在工程和科学研究中，我们经常会遇到一些涉及流体动力学的问题。

其中一个典型的问题是在竖直圆管中观察和研究非等温圆球的沉降行为。

这个问题的研究对于我们理解流体力学、热传递和动力学等领域的基本原理非常重要。

为了更深入地探究这个问题，本文将使用直接数值模拟的方法进行研究。

二、问题描述考虑一个竖直圆管内，内径为D，长度为L的系统。

在该系统中，有一个非等温的圆球，直径为d，其底部和顶部分别为温度为T1和T2的热源。

我们的目标是研究圆球在管道中的沉降行为，并分析温度和速度对其行为的影响。

三、理论模型1. 动量方程我们首先根据牛顿第二定律，可以得到圆球的运动方程。

根据该方程，圆球所受到的重力和流体的阻力将决定其运动状态。

由于管道内的流体为牛顿流体，我们可以使用Navier-Stokes方程描述其流动。

2. 能量方程为了考虑温度对沉降行为的影响，我们还需要引入能量方程。

该方程描述了热量的传递和流动。

3. 边界条件在研究过程中，我们需要指定一些边界条件，例如管道内的初始温度分布、圆球的初始位置和初始速度等。

这些边界条件将直接影响到最终结果的准确性。

四、数值模拟方法在本次研究中，我们将采用有限体积法进行数值模拟。

这种方法将管道划分为一系列单元，并在每个单元中求解动量方程和能量方程。

我们还将采用隐式格式来保证计算的稳定性和准确性。

五、数值模拟结果分析通过进行数值模拟，我们得到了圆球的沉降行为，并对不同温度和速度条件下的结果进行了分析。

1. 温度影响的分析我们首先研究了圆球沉降过程中温度的变化情况。

根据我们的数值模拟结果，我们观察到圆球的温度在下降过程中逐渐趋于稳定。

这是因为圆球与流体之间的热传递导致了温度的均衡。

2. 速度影响的分析接下来，我们研究了圆球沉降过程中速度的变化情况。

根据数值模拟结果，我们发现速度与圆球的直径和管道内的流体性质有关。

基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析吴舒琴;李亦健;魏健健;金滔【摘要】为探究液氮的池内核态沸腾过程,使用RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)沸腾模型对液氮池内核态沸腾阶段不同壁面过热度下的沸腾工况进行了数值模拟.计算得到的液氮核态沸腾区域的沸腾曲线与文献中的实验结果相吻合,验证了RPI沸腾模型和相关沸腾参数模型用于液氮核池沸腾模拟的可行性.依据气相分布云图讨论了不同过热度工况下沸腾发生过程中气液相分布的变化情况,并分析了气相的生成和上升过程.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】6页(P27-32)【关键词】液氮;池沸腾;核态沸腾;数值模拟【作者】吴舒琴;李亦健;魏健健;金滔【作者单位】浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TB611 引言液氮等低温流体被广泛用于超导体冷却、航空航天、低温医疗等领域，其中许多方面都涉及到低温流体的沸腾换热过程，如低温储罐及管道的冷却、低温流体的生产设备等。

沸腾是复杂的换热现象，涉及的影响因素众多。

池沸腾有以下几个阶段：自然对流区、核态沸腾区、过渡沸腾区和膜态沸腾区。

其中核态沸腾区温压小、传热强，许多工业应用都会选择此区域。

学者们对常温流体池沸腾已有较为充分的研究，现有的沸腾换热关联式及机理模型大都基于常温流体建立。

液氮等低温流体的表面张力和接触角小、蒸发潜热低，热物性与室温流体有较多不同，许多常温流体沸腾的研究结果不可直接应用于低温流体[1]。

在20世纪五六十年代，出于航空航天及低温推进剂的应用需求，针对低温流体沸腾换热的研究开始兴起[2]。

三维圆管流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。

层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。

雷诺数是判别流体流动状态的准则数。

本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。

1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。

流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。

Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。

2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。

在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理3.1 层流流动当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υdRe ν==，故圆管内流动为层流。

假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (1-1)②动量守恒方程：()()()()()()()u uu uv uw u u u pt x y z x x y y z z x ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-2)()()()()()()()v vu vv vw v v v pt x y z x x y y z z y ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-3)()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z zρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-4)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第8期·2892·化 工 进展制冷工质流动沸腾数值模拟中源项模型的研究进展邵亚伟，邓帅，苏文，赵力，卢培，赵东鹏（天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）摘要：作为描述流动沸腾过程物理现象的核心，源项在流动沸腾的数值模拟研究中起着至关重要的作用，主要体现在：①反映流动沸腾过程的传热、传质机理；②描述沸腾传热、两相流动特征；③影响数值计算稳定性。

源项模型的准确性、适用性及稳定性对于制冷工质流动沸腾机理的数值研究具有重要意义。

本文通过文献综述的方法，对现有源项模型进行了梳理。

首先从源项在数值模拟中的角色入手，对现有针对流动沸腾数值模拟的源项模型进行归纳；其后分别从纯工质、混合工质两方面对源项模型的研究进展进行具体综述，分析了典型模型（如动力学模型、标量场模型、扩散模型等）的优缺点；同时对源项模型的典型验证方法进行系统总结，包括标准模型验证法、实验验证法。

在此基础上，指出了流动沸腾数值模拟中源项模型的发展方向。

关键词：气液两相流；数值模拟；源项；模型；制冷工质中图分类号：TB61+1；O552.6 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）08–2892–12 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-2176Research progress on source models for numerical simulation of flowboiling of refrigerantSHAO Yawei ，DENG Shuai ，SU Wen ，ZHAO Li ，LU Pei ，ZHAO Dongpeng（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy, Tianjin University,Tianjin 300072, China ）Abstract ：As the core of describing physical phenomena in flow boiling process, source term plays an important role in numerical simulation of flow boiling, which is mainly reflected in ：①being derived from the heat and mass transfer mechanisms of the flow boiling process; ②describing boiling heat transfer, two-phase flow characteristics; ③influencing numerical calculation stability. It is of great importance to maintain accuracy, applicability and stability of the source models for numerical study on flow boiling mechanism of the refrigerant. Therefore, the existing source models through the literature review method were sorted out in this paper. Firstly, the source models were reviewed for the numerical simulation of flow boiling according to the roles of source term in the numerical simulation. Then, the research progress of the source models was presented for the pure and mixed working fluids respectively. The pros and cons of classical models such as kinetic model, scalar field model, diffusion model were discussed. Thereafter, typical verification methods of these source models were systematically summarized from the aspects of standard model and experimental verification. On these bases, the development direction of source models for numerical simulation of flow boiling was clearly pointed out.Key words ：gas-liquid flow ；numerical simulation ；source term ；model ；refrigerant流动沸腾数值模拟。

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。

D NB 后膜态沸腾传热计算模型李虹波 ,陈炳德 ,赵 华 ,熊万玉( 中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环重点实验室 ,四川 成都 610041)摘要 :提出膜态沸腾传热的物理模型 ,建立相应的数学模型 ,对 DNB 后膜态沸腾传热特性进行分析 ,通 过实验数据确定关系式系数 ,得到了 DNB 后膜态沸腾传热计算模型 。

本文提出的理论计算模型与现有 不同工况范围内取得的实验数据和已有计算模型进行了比较分析 ,并对计算偏差进行了统计计算 。

比 较结果表明 ,本文的计算结果与实验数据符合较好 ,且相对于已有计算模型 ,本文模型具有较广的适用 性 。

针对各系统参数对 DNB 后膜态沸腾传热的影响 ,对所提出的理论计算模型进行了研究 ,所得结果 的规律与已有实验研究结果符合 。

关键词 :膜态沸腾 ;DNB 后 ;沸腾传热 ;计算模型 中图分类号 : T K124文献标志码 : A文章编号 :025820918 (2011) 022*******N umerical model of post 2D NB f il m boil ing heat transf e rL I Ho n g 2bo , C H EN Bi n g 2de , Z H A O H u a , XIO N G Wa n 2yu( K ey L a b o rato r y of Bubble Physics a nd Nat ural Ci rcul atio n , N uclea r Po wer Inst it ut e of Chi na ,Chengdu of Sichua n Pro v. 610041 ,Chi na )Abstract :It i s p r opo s ed i n t h i s p a p e r a p h ysical mo d el fo r t h e f il m boili n g heat t r a n s f e r . The co r re spo n di ng mat he matical de scrip tio n s a re give n i n det ail s a nd t he heat t r a n s f e r cha ract eri stic of po st 2DNB f il m boili ng i s a nal yze d. The n u me rical m o del of po s t 2DNB fil m boili ng heat t ra n sf e r i s o bt ai ne d a s t he e mpi rical val ue of t he coefficie nt i s det e r 2 mi ne d by t he e xp eri me nt al dat a . The nu merical mo del i s co mp a red wit h t he e x p e ri me n 2 t al dat a of diff e re nt p a ra met er s a nd o t her n umerical mo del s , a nd t he st ati stical devi a 2 tio n s a re calculat e d. The calculati ng re s ult s of t he numerical mo del i n t hi s p ap e r sho w goo d a gree me nt wit h t he e xp e ri me nt al dat a , a nd t he nu me rical m o del i n t hi s p a p e r ha s co mp re he n sive app lica bilit y co mp a red wit h o t her nu me rical mo del s. The eff ect s of t h er 2 mal 2hydra ulic p a ra met er s o n t he po st 2DNB f il m boili ng heat t ra n sf e r have bee n n u m eri 2 call y re sea rched u si ng t he numerical mo del i n t hi s p ap e r . The calc ulati ng re sult s a r e a s sa m e a s t h e e x p e ri me nt a l re s ult s . K ey w ords :f il m boili n g ; po s t 2DNB ; boili n g heat t r a n s f e r ; n u me rical mo d el收稿日期 :2010205224 ;修回日期 :2011205207 作者简介 :李虹波 ( 1980 —) ,男 ,重庆人 ,助理研究员 ,工学博士 ,现从事反应堆热工水力及两相流动与传热研究工作146DNB 后膜态沸腾是膜态沸腾的一种 ,其流 型为反环状流 ,它的特征是蒸汽层将连续的液 核从加热壁面分离 。

基于非平衡热力学模型的管内沸腾过程模拟冯留海;聂永广;王江云;雷晓东;王娟;毛羽【摘要】为了更准确地模拟壁面沸腾过程,根据Lavievile非平衡热力学模型对沸腾流动的壁面热流率进行了划分,通过调节函数结合Sato模型修正了沸腾流动中的混合κ-ε模型,建立了同时适用于管内过冷沸腾与整体沸腾流动阶段的曳力模型.使用上述模型对环状竖直管内沸腾流动过程进行数值模拟,计算结果与实验值吻合,可以用来模拟整个管内沸腾流动过程.数值模拟显示,沸腾流动可以明显增大管壁的传热系数,但当管壁处蒸气体积分数超过0.6时,会出现传热恶化现象.【期刊名称】《石油学报（石油加工）》【年(卷),期】2016(032)003【总页数】6页(P591-596)【关键词】沸腾流动;非平衡热力学;曳力模型;传热系数;数值模拟【作者】冯留海;聂永广;王江云;雷晓东;王娟;毛羽【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;北京低碳清洁能源研究所,北京102209;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;新奥科技发展有限公司,河北廊坊065001;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中机康元粮油装备(北京)有限公司,北京100083;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TK124管内沸腾流动是石油、化工、能源动力等工业领域的一种常见现象，例如石油化工行业常用的管式加热炉和管壳式换热器中的管内沸腾流动。

沸腾流动可以显著提高管内传热效率，所以受到人们的广泛关注。

早在20世纪60年代，Bartolomei等[1]就实验研究了空泡分率对垂直管内高压水沸腾过程的影响。

随着测量技术的发展，Bartel[2]、Lee等[3]对各种工况下的管内沸腾过程进行了更加详细的测量。

一方面希望实验获得管内沸腾过程中详细的两相流局部参数特性，另一方面希望通过实验测量结合理论方法归纳出气泡脱离直径、成核频率和气泡停留时间等管内沸腾流动中的关键参数，从而完善数值模型，使其可以准确模拟管内沸腾过程。

竖直圆管内超临界水传热特性数值模拟赵民富;张国欣;陈玉宙【摘要】为深人研究超临界水的传热特性,利用计算流体力学(CFD)软件,完成了国际原子能机构(IAEA)关于竖直圆管内超临界水传热特性数值模拟的标准题计算,得到了与试验值符合较好的结果.通过研究发现:剪切应力输运(SST)模型可较好地反映超临界水的传热特性,但对网格敏感,需适当的网格相匹配,适当值的选取可能与超临界水所处的状态有关.这些结论对超临界水传热特性的数值模拟有指导意义.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2011(045)002【总页数】4页(P146-149)【关键词】超临界水;传热;数值模拟【作者】赵民富;张国欣;陈玉宙【作者单位】中国原子能科学研究院,反应堆工程研究设计所,北京,102413;中国原子能科学研究院,反应堆工程研究设计所,北京,102413;中国原子能科学研究院,反应堆工程研究设计所,北京,102413【正文语种】中文【中图分类】TL331超临界水冷堆(SCWR)是6种第4代反应堆中唯一的水堆,具有热效率高、经济性好、系统简化及技术继承性好等优点,因而引起了国内外研究者的广泛关注。

由于超临界水的物理性质随温度变化剧烈,导致其传热特性非常复杂,因此,尽管国际上已有几十年研究历史,但至今无一致的结论[1]。

随着计算机运算能力的提高,利用计算流体力学(CFD)程序对超临界水传热进行数值模拟逐渐成为可能,近年来,CFD分析已成为超临界水传热特性研究中的重要手段。

但CFD分析的结果与湍流模型选取、网格质量等因素关系密切,必须将计算结果与试验数据比较,以检验所选模型是否合适[2]。

为检验程序和模型的适用性,探索超临界水传热特性数值模拟的适当方法,以支持超临界水冷堆研究,国际原子能机构(IAEA)于2008年发起一协调研究计划(CRP),名为“超临界水冷堆传热特性及热工水力程序测试”。

2009年,该项目开展了“加热管道内超临界水传热特性数值模拟标准题计算”的工作。