液体蒸发的数值模拟

蔡玉强，李亚丛

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)



液体蒸发的数值模拟

蔡玉强，李亚丛

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

蒸发传热；汽液相变；fluent；数值模拟

基于fluent多相流混合模型，结合自定义函数(UDF)对水箱内部水的蒸发过程进行模拟分析，得出不同加热时刻的温度场、压力场、速度场和蒸汽体积分布，从而清楚地了解容器内的相变程度；分析当加热时间相同时，不同加热温度对沸腾情况的影响，便于更加经济有效地控制加热温度。结果表明，该方法能够快速准确地模拟液体的相变过程，并可反映相变程度，从而缩短相关容器设计、性能改进的周期。

不论是生活实践，还是工业生产过程中都会存在流体相变的现象，即液态水在高温条件下受热蒸发生成蒸汽泡，由于浮力的作用，蒸汽泡不断上升至液面逸出并脱离液体，使水在容器内流动起来，而蒸汽与冷流体发生热交换后液化放热变成水滴沉降。容器内液体的相变程度往往决定了该装置的工作效率及换热效率，研究流体的相变过程对于相关容器的设计、能量的消耗、液体的回收处理等具有重大意义。为了深刻探究蒸发过程中汽液相变的程度，采用fluent 多相流混合模型模拟重力影响下水箱加热蒸发的过程，并结合自定义函数(UDF)定义不同相之间的质量传输问题，实现相变传热，从而得出不同加热时刻、不同加热温度条件下的温度场、压力场、速度场和蒸汽体积分布，为今后相关容器的设计和改进提供可靠的参考价值。

1 控制方程与物理模型

1.1 控制方程

所有千变万化的流动传热过程都受物理守恒定律的制约，即满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，而这些守恒定律的数学描述就是控制方程[1]。

连续方程：连续方程也就是质量守恒方程，即单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。其方程可由下式表示：

(1)

(2)

(3)

式中：

ui、uj——分别为i、j方向的速度；

xi、xj——分别为i、j方向的坐标；

ρ——流体的密度；

P——压力；

μ——流体的动力粘性系数；

对于传统的卷积神经网络，如GoogLeNet，ResNet等，当网络训练好后输入的图像尺寸必须固定。当我们希望检测或识别的图片大小不一时，有两种解决办法：一是从原始图像中剪裁一部分传入网络，或者将图像缩放成需要的大小然后传入网络。这必然会导致图片信息的丢失和变形，影响图像识别和目标检测精确度。

T——温度；

t——时间；

λ——流体的导热系数；

Cp——定压比热容。

1.2 物理模型

运用三维模拟建模能够比较精确地模拟水箱内液体蒸发的过程，但在采用同样尺寸网格的情况下，三维模型的网格个数是二维网格的十几倍甚至几百倍，这就使得计算时间更长、计算机硬盘负担更重[2]。为了减少计算量，在探析水箱加热特点的基础上，利用ICEM软件建立该装置内部液体蒸发的二维模型并完成四边形网格的划分，划分结果如图1所示。

图1 流域网格图

2 计算条件

2.1 相变过程的实现

采用fluent软件对上述有限元模型进行数值模拟计算。由于在加热过程中水蒸发形成蒸汽泡，并逐渐上窜至液面逸出，属于动态变化过程，故采用非定常模型[3-4]，并定义上表面为压力出口。目前，在fluent多相流动的混合模型中，还不能实现在不同相之间的质量传输。因此，拟采用自定义函数来定义从液体相到蒸汽相的相变过程。

相变函数数学模型具体表达式为：

(4)

(5)

式中：

αl—液相体积分数；

ρl—液相密度；

r—控制相变强度因子；

αg—汽相体积分数；

ρg—汽相密度。

在式(4)、(5)中当Tsat

图2 UDF程序编写

2.2 操作条件的设置

计算模型以水箱顶部为压力出口，此处的出流断面表压为0，气体回流体积分数为0。水箱底部为持续加热段，使得其紧邻单元温度稍微高于饱和温度(373 K)。假设壁面绝热，其固定温度为372 K；设备内的压力为101 325 Pa，操作密度为0.554 2 kg/m3；汽泡形状保持为规则球形，运动过程中不会发生形变，直径为0.000 2 mm[6]。

基于以上条件设置，分别对水箱内的流体做了2种模拟：(1)水箱内水初始温度为372 K，加热温度为573 K，持续加热一段时间；(2)水箱内初始温度为372 K，加热温度为490 K，持续加热一段时间。

3 数值模拟结果与分析

水箱内充满温度为372 K的水，接近水的沸腾临界点，容器底部为490 K。根据热传导的原理，贴近底部器壁附近流体的温度会逐渐增加并超过饱和温度，生成蒸汽泡；在重力环境下，由于汽液两相中液体的密度大于气体的密度，蒸汽泡自发向上运动，随着加热时间的加长汽泡越来越多，从而形成一群汽泡上升并从液面顶部逸出、脱离的现象，使水在容器内流动起来[7]。得到的加热时间分别为3 s、9 s、21 s时水箱内液态水速度云图如图3所示，蒸汽体积云图如图4所示。

图3 不同加热时刻的液态水速度分布图

图4 不同加热时刻的蒸汽体积比例分布云图

从图中可以看出,水箱内的液体受热后迅速蒸发产生少量水蒸去汽，附着在加热底面，但随着加热时间的持续，水蒸汽不断增多，汽泡体积不断增大，当汽泡体积增大到一定程度后，在浮力的作用下不断向上运动，最后从液面逸出脱离液体；容器内水蒸汽的上浮带动周围的液体开始流动，并随着加热时间的不断增加，整个容器内的水开始运动，运动速度也逐渐上升。

改变水箱底部的加热温度，研究不同的加热温度对水箱内液体蒸发相变的影响；分析当容器内液体初始温度不变，水箱底部为573 K，加热3 s时容器内的温度场、压力场以及液体速度分布、蒸汽体积分布情况。图5所示为液态水速度分布云图，图6为蒸汽体积比例分布，图7为温度分布云图，图8为压力分布云图。

图5 液态水速度分布云图 图6 蒸汽体积比例分布

图7 温度分布云图 图8 压力分布云图

对比当液体初始温度相同、加热时间相同，而加热温度分别为490 K和573 K时，水蒸气体积分布和液体速度分布情况。研究结果表明，加热温度越高，在相同的时间内生成的水蒸汽越多，汽泡运动越迅速，从而引起水流动越快；从温度场的分布中看出，水箱底部温度最高，水吸热蒸发产生水蒸气，使得蒸汽附近的温度高于液体的温度；水箱内的压力从顶部到底部依次增大。

4 结论

(1)根据液体加热蒸发的特点，采用Mixture非稳态模型完成了重力影响下水箱加热过程中液体相变的模拟，对在不同时刻、不同加热条件下得出的温度场、压力场、液态水速度云图及水蒸气体积云图进行分析。

(2)结果发现，数值模拟与实际的蒸发相变过程完全吻合，证明可以通过应用fluent软件与编写自定义函数程序对水箱及类似装置模拟汽液相变，可为今后相关容器设计、性能改进提供更加便捷、经济有效的办法，从而缩短研发周期。

[1] 唐家鹏.Fluent14.0超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2013.

[2] 熊珍琴,王如竹,吴静怡,等.基于fluent软件的热泵热水器水箱温度场数值模拟[C].全国制冷空调新技术研讨会,2006.

[3] 朱红钧,林元华,谢龙汉.FLUENT流体分析工程案例精讲[M].北京:电子工业出版社,2013.

[4] 韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2010.

[5] 蔡玉强,靳文博.蒸汽压缩蒸馏装置蒸发器产水率机理分析[D].唐山:河北联合大学,2013.

[6] 吴艳阳,傅捷,赵旭伟,等.水箱沸腾加热过程的数值模拟[J].化工装备技术,2012,33(2):40-42.

[7] 傅捷.气泡行为的可视化研究[D].武汉:武汉工程大学,2012.

Numerical Simulation of Liquid Evaporation

CAI Yu-qiang,LI Ya-cong

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

evaporation heat transfer; vapor liquid phase transition; fluent; numerical simulation

Evaporation process of water inside the water tank was simulated and analyzed based on the two-phase mixture model of fluent and by using the user-defined function (UDF).The temperature field,pressure field,velocity field and steam volume distribution were obtained at different heating time,so that the vapor-liquid phase change degree of the container was clearly understood; The effect of different heating temperature on boiling condition were analyzed when the heating time was the same,it was easy to more economically and effectively control heating temperature.The results show that the process of vapor-liquid phase change will be quickly and accurately simulated,and the degree of phase change will be reflected by the method,so as to reduce the cycle of design and performance improvement of containers.

2095-2716(2017)03-099-06

2016-11-17

2017-04-13

TQ026.4

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