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FLUENT焦耳-汤姆逊效应模拟

1月前浏览4825

摘要

本文介绍了焦耳-汤姆逊效应,即气体通过截面缩小孔道时压力降低、温度变化的现象,并强调了其在高压氢气储运中的重要性。利用FLUENT软件模拟了一个二维轴对称节流组件的焦耳-汤姆逊效应案例,选择了Realizable k-e湍流模型和NIST真实气体模型,模拟结果显示节流处速度超音速,温度降低约0.7K,与理论结果相近。案例以空气为介质,焦耳-汤姆逊系数为正,节流后温度降低,而氢气则相反。

正文

正文共:1328字 9图    预计阅读时间:4分钟

1 前言

焦耳-汤姆逊效应指的是:当气体在通过截面突然缩小的孔道时,由于局部阻力,气体的压力将会降低,温度将会发生变化的现象。该效应于1852年被英国的焦耳和汤姆逊两位科学家发现,它在热力学理论中占有非常重要的地位,对于理想气体,经绝热节流过程后,温度不变,但对于实际气体,经绝热节流过程后,气体温度可能降低、升高或不变[1]。

焦耳-汤姆逊系数ε用来表示该效应的强烈,其简单的计算方法是进出口温差除以进出口压差。因此,气体经节流后温度降低,则ε为正,温度不变,则ε为零,温度升高,则ε为负。常见的气体中,空气的ε为正,氢气的ε为负,焦耳-汤姆逊效应在高精度应用场合以及在高压氢气储运中显得很重要。比如,在70MPa高压储氢场合,如果发生泄漏,则温升结果会增加爆炸风险。

举例来说,假如70MPa,300K的高压、常温氢气泄漏到大气环境中,由于该状态下,氢气的焦耳-汤姆逊系数约为-0.5K/MPa[2],则氢气泄漏到大气后的温升可达到35K。今天我们基于FLUENT用一个简单的案例对焦耳-汤姆逊效应进行模拟演示。

2 建模与网格

建立如下的二维轴对称节流组件模型,划分四边形网格,节点数约1.8万,最小正交质量0.49。

3 求解设置

我们采用Realizable k-e湍流模型,近壁面处理采用Scalable wall function壁面函数,该设置可适应跨度较大的Y+值,稳定性比标准壁面函数高。
对于焦耳-汤姆逊效应的模拟,最核心的就是物性参数的设置,不能采用常物性和理想气体模型。较为常用的做法是采用真实气体模型,FLUENT自带的几种真实气体模型都可以使用,还有就是直接调用NIST数据,需要采用TUI方式,单组分流体输入以下文本:define/user-defined/real-gas-models/nist-real-gas-model;多组分流体输入以下文本:define/user-defined/real-gas-models/nist-multispecies-real-gas-model,都输入yes激活该真实气体模型。
本案例我们选择气体介质为空气air。
入口采用压力入口,全压0.501MPa,总温292.97K,注意建议给一个适当的初始表压(低于全压)值,获得恰当的初始流场对于计算的稳定性和收敛性都有利。
出口采用压力出口,表压0.2MPa。
壁面设置为绝热面。
稳态求解,调高收敛标准,特别是能量守恒方程的收敛标准调整到1e-8。

4 计算结果

我们看一下计算域的速度(马赫数)和温度分布,可以看出在节流处的速度达到了超音速。
进出口的压降和温度变化如下,可以看出温度降低了约0.7K,基于RK和SRK的真实气体模型计算的理论温降为0.72K[1],可见数值计算结果和理论结果相当接近。
当然,本案例的介质是空气,焦耳-汤姆逊系数为正值,节流后温度降低,如果介质换成氢气,则节流后的温度升高[2],感兴趣的读者可以自行计算。
参考文献
[1] 程阳. 气体静压节流器微流场焦耳-汤姆逊效应的研究
[2] Ji-Qiang Li. A study on the Joule-Thomson effect of during filling hydrogen in high pressure tank
来源:仿真与工程
Fluent湍流理论爆炸
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首次发布时间:2024-06-01
最近编辑:1月前
余花生
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