圆管内流动沸腾压力波动特性模拟
笔者先前使用管式蒸发器和板式蒸发器制备高温水蒸气时，均遇到水蒸气流量不稳定或者说压力不稳定的情况，监测到出口的水蒸气以及管内压力出现明显的波动，而且波动分为高频和低频。高频的波动幅值较小，但是非常频繁；低频的波动幅值很大，但是间隔较长一段时间才会出现（如下图）。 这种压力波动应该是由沸腾相变引起的，与气泡的形成与破灭有着非常紧密的联系，而且波动具有混沌性，与质量流率以及加热功率息息相关。今天，我们用一个简单的案例来模拟复现一下这种压力波动情况。 建立如下的二维轴对称管道模型，管道长100mm，内径Φ4mm，划分四边形网格，节点数6321。管道内的介质为液态水和水蒸气，入口液态水的速度0.05m/s，温度372K（略低于常压下饱和温度373.15K），管壁为恒温420K。 该问题需要用两相流，由于涉及到气泡的生成破裂，因此采用VOF模型，准确捕捉两相界面。主相为液态水，次相为水蒸气。两相之间的传热传质采用默认的蒸发冷凝模型（该模型与网传的那个UDF是一样的）。由于蒸发冷凝相变频率未知，采用默认的0.1。 按上述边界条件设置入口、出口和壁面边界。出口压力设置为表压0Pa，我们监测入口的压力情况以表征管道的压力波动。 压力速度耦合我们采用SIMPLE算法，本案例涉及的剧烈相变问题在计算时可能会出现发散，需要调整亚松驰因子，或者用更小的时间步长。经过多次调试，以下的亚松驰因子设置可能合适。 另外，采用了自适应时间步长，这个设置有个不好的是不便于FFT变换，假设需要对压力数据进行频域分析时，还是用固定时间步长吧。总而言之，沸腾相变模拟需要多次尝试才能获得稳定得数值解。 我们看一下某个时间段的压力曲线，可以看出压力波动非常明显，存在相对高频和低频的信号。 再看一下某个时刻的速度、温度和水蒸气体积分数云图，介质的流动状态不稳定。 某个时间段出口的水蒸气体积分数曲线如下，与水蒸气体积分数云图对应，表现为水蒸气的不连续性。当然，由于管道较短，出口还是偶尔有液态水。增大管道长度，可使得出口为持续100%水蒸气。另外，可读取进出口质量流量进行对比，各个时刻的质量流量未必一致。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-05
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