FLUENT模拟液态水热膨胀现象

正文共： 1376字 9图 预计阅读时间： 4分钟1 前言有一个经典的热力学实验，当对一个盛有水的活塞进行抽拉时，里面的液态水可能发生沸腾。这就是著名的闪蒸（flash evaporation）现象，闪蒸指的是液体在压力骤降时，因沸点降低而瞬间部分汽化的过程，其本质是系统从非平衡态向气液两相平衡态的快速转变。闪蒸发生的根本条件是压力骤降，因为压力降低时，饱和温度降低，当液体温度高于饱和温度时，就会发生相变。因此，我们可以知道，当压力降低越大，同时液体初始温度越高时，闪蒸越容易发生。今天，我们用一个简单的案例来演示一下这个闪蒸现象。2 建模与网格创建一个100mm×100mm的二维平面模型，划分四边形结构化网格，单元边长1mm。3 边界条件与求解设置这个案例的核心在于动网格技术，我们将顶部壁面设置为刚体运动面，表征活塞的运动，两侧设置为变形面，变形方向为y向，底部为静止壁面。由于该运动符合铺层网格特点，因此采用铺层动网格（layering），用DEFINE_CG_MOTION宏定义运动速度，UDF代码如下。DEFINE_CG_MOTION(moving,dt,vel,omega,time,dtime){if(time<=0.2)vel[1]=0.;else if(time<=1.0)vel[1]=(time-0.2)*0.02/0.8;else vel[1]=0.;} 介质为液态水和水蒸气，采用VOF和Lee模拟气液相变过程，液态水为主相，水蒸气为次相，该相变模拟的核心是随压力变化的饱和温度以及气体的可压缩性，我们采用的是安托因方程（Antoine equation）描述水的饱和温度和压力的关系，UDF代码如下。我们暂忽略了表面张力等更为细节的两相流设置，因为我们仅仅关心相变过程。我们采用理想气体模型简化模拟水蒸气的可压缩性。DEFINE_PROPERTY(saturation,c,t){real p_ab;real p_op=RP_Get_Real("operating-pressure");real t_sat;p_ab=p_op+C_P(c,t);t_sat=1730.63/(8.07131-log10(p_ab/133.322))-233.426+273.15;C_UDMI(c,t,0)=t_sat;return t_sat;}由于相变的发生很快，因此我们忽略了壁面和外部环境的换热，设置为绝热壁面。开启重力选项。采用如下值进行初始化，并采用patch方式设定60%初始液位，如前所述，更高的初始温度更容易闪蒸，因此本案例的初始状态为接近饱和的过冷水。瞬态求解，时间步长0.001s。4 计算结果我们先看一下抽活塞过程中，内部的压力和饱和温度情况，我们定义了0.2s到1s内活塞都是运动的，速度线性增加，到1s时停止运动，在这个过程中饱和温度随压力的降低而降低，后续活塞停止运动，闪蒸产生的水蒸气将内部压力抬高至一定程度后基本稳定下来。我们看一下水蒸气的质量曲线，可以看到发生约在0.7时就开始发生了闪蒸，看前文饱和温度曲线，此时的饱和温度降低到了液体温度以下。我们再看一下抽取活塞所需的力，可以看出这个力还是相当大的，读者朋友可以试着拿一个注射器模拟一下。发生闪蒸后某个时刻的气液两相体积分数云图如下。来源：仿真与工程