三十、Fluent蒸发-冷凝模型理论与设置详解

发展与应用：Fluent中的蒸发冷凝模型：Lee模型与热相变模型的深入探讨与设置方法

引言：

在多相流模拟中，蒸发和冷凝过程是极为常见的现象，特别是在化工工程、热交换系统和制冷技术等领域。Fluent软件提供了两种核心模型以精确描述这类过程：Lee模型和热相变模型（Thermal Phase Change Model），本文将深入讨论这两种模型的理论基础以及在Fluent软件中的设置方法。

Lee模型理论：

Lee模型作为一项强大的计算手段，允许在多种模型架构下进行蒸发冷凝模拟，包括混合模型（Mixture）、体积分数模型（VOF）和欧拉多相流模型。其核心方程式具体如下：




\[

\Phi_{evaporation} = \frac{\nabla \cdot [\rho_l c_{ev} \nabla p + \nabla \cdot \left( \mu_l \nabla \mathbf{u}\right) + Q_e]}{\rho_l M_l},

\]


以及对于冷凝过程有：


\[

\Phi_{condensation} = \frac{\nabla \cdot [\rho_g c_{cv} \nabla p + \nabla \cdot \left( \mu_g \nabla \mathbf{u}\right)  Q_c]}{\rho_g M_g},

\]


其中：

$\Phi_{evaporation}$ 和 $\Phi_{condensation}$ 分别表示单位体积中蒸发的液相质量和冷凝的气相质量。

$c_{ev}$ 和 $c_{cv}$ 分别为蒸发系数和冷凝系数，其中 $c_{ev}$ 在Lee模型中表示为 $\max (0,c_{ev}β)$，而冷凝系数 $c_{cv}$ 与蒸发系数相对等值，直接反映了质量传输的动力学。

$M_l$ 和 $M_g$ 代表液体和气体的摩尔质量，$q_e = L$ 为蒸发潜热。

$\rho_v$ 和 $\rho_g$ 分别是气体和液体的密度，$R$ 是理想气体常数，$\alpha_v$ 是气体的体积分数。

$db$ 为气泡直径，若在欧拉模型或混合模型中应用，电导参数的一致性是必须的。

$\beta$ 是一个韩系数，其值取决于蒸发器参数和外部条件，在平衡状态下接近1.0。系统参数的细微调整对于确保coeff系数与实验数据的一致性至关重要。

热相变模型探讨：

热相变模型（Thermal Phase Change Model）集中在欧拉多相流模型和双阻力法下，通过引入不同的传热系数在相界面上建立合理的热力模型。基于相界面两侧的不同传热性能，热相变模型能提供更为精确的界面换热模拟。考虑等温条件，界面处的对流换热速度可以通过下式表述：

\[

q_{ conv} = h_l (T_l  T_t) = h_v (T_l  T_t)

\]


其中：


$h_l$ 和 $h_v$ 分别指液相和气相的换热系数。

$H_{ls}$ 和 $H_{vs}$ 则是液相和气相的焓值，微小持液力通常可以忽略。

界面处瞬时热量守恒条件通过联系液相和气相的焓值，解出了换热系数的依赖关系如下：


\[

L_{evaporation} = E(m_e)  E(m_g) \quad \text{或} \quad L_{condensation} = E(m_g)  E(m_e)

\]


通过这些计算，可以精确地描述物质状态的转换过程及其对应的能量传递。


Fluent设置实践：


在使用Fluent进行模型设置时，根据具体的需求，执行以下步骤：

1. 选取通信选项：在VOF模型基础上使用蒸发冷凝模型时，强烈建议使用QUICK、HRIC或Phase Localized Compressive格式进行体积分数离散化。

2. 模型参数调整：Lee模型中的蒸发和冷凝系数应参照理论说明进行设置，此系数的微调以确保实验数据与计算结果的一致性；对于热相变模型，通常推荐使用默认值1，无需额外调整。

3. 饱和温度设定：

选择`tabularptsat`表输入方法，通过提供包含饱和温度和饱和压力的数据点的表格来自定义饱和温度，确保温度采用插值计算，并与软件内的数据保持一致。

创建并输入数据点表格，确保提供了足够的数据点以支持有效内插，实现温度和压力之间的准确转换。

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