垂直圆管内液氮流动沸腾的理论模型及数值模拟
三维圆管流动状况的数值模拟分析
三维圆管流动状况的数值模拟分析毕业论⽂学⽣姓名：袁洪武学号：20082396学院：⼟⽊⼯程与⼒学学院专业年级：2008⼯程⼒学题⽬：三维圆管流动状况的数值模拟分析指导教师：蒋光彪副教授评阅教师：余敏讲师2012年 5 ⽉摘要在⼯程和⽣活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的⼀种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。
雷诺数是判别流体流动状态的准则数。
本⽂⽤Fluent软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。
⾸先在Gambit⾥建⽴物理模型，分别建⽴直圆管与90度弯圆管的物理模型，并划-⽅程[]1，分⽹格。
选⽤液体流动的质量守恒⽅程、动量守恒⽅程、能量守恒⽅程以及kε分别对层流和紊流采⽤不同的3种⼊⼝流速来对三维圆管内部流体进⾏模拟分析，并在FLUENT软件中以直观的⽅式表⽰出了层流和紊流各种不同速度在圆管中的流动状况，分析讨论其不同流速下的规律、特点。
并通过⼏种理论⽅式计算验证所得到的数值模拟结果的准确性。
结果证明所得到的数值模拟结果与圆管层流、紊流的理论数据相符合。
关键词FLUENT；光滑圆管；湍流；层流；雷诺数；数值模拟Title The numerical simulation and analysis of the flow in the 3D round tubeAbstract:In engineering and life, circular pipe flow is the most common and the simplest flow, and it contains two flow conditions-aminar and turbulent. Reynolds number is used to distinguish the fluid state criterion. This paper is to simulate study of three-dimensional pipe laminar and turbulent flow by Fluent software, which mainly makes analysis on the velocity distribution and the pressure distribution .First, establish physical model in the Gambit, respectively, set straight circular pipe and 90 degree bend pipe physical model, and then, mesh. Selecting liquid flow equation of mass conservation, momentum conservation equation and energy conservation equation of laminar flow and turbulent flow, we can, respectively, use 3 different entrance velocity to make simulation analysis of 3D pipe internal fluid. In Fluent software , this paper expresses the different velocity of laminar and turbulent flow in pipe flow condition in an intuitive way, discussing pattern and characteristics under different flow, and verifies the accuracy of the numerical results through several theoretical method.Results show that the numerical results are Conformed to the theory datas of Laminar and turbulent flow .Keywords:Fluent; Smooth pipe; Turbulent flow; Laminar flow; Reynolds number；Numerical simulation⽬录1 绪论 (1)1.1课题提出的意义 (1)1.2直接数值模拟⽅法简介 (1)1.3主要研究内容 (2)2直接数值模拟⽅法 (3)2.1FLUENT简介 (3)2.2FLUENT的计算过程 (5)2.3控制⽅程 (6)3 在GAMBIT建⽴中模型 (9)3.1直圆管 (9)3.290度弯管 (10)4 在FLUENT中求解计算层流流动 (11)4.1FLUENT的参数设置 (11)4.2直圆管层流计算结果及分析 (12)4.390度弯管层流计算结果及分析 (18)4.4圆管层流数值模拟结果的验证 (22)5 在FLUENT中求解计算紊流流动 (26)5.1FLUENT参数设置 (26)5.2直圆管紊流计算结果及分析 (26)5.390度弯管紊流计算结果及分析 (33)5.4圆管湍流数值模拟结果验证 (35)6 总结与展望 (38)6.1总结 (38)6.2展望 (38)参考⽂献 (39)致谢 (41)1 绪论1.1 课题提出的意义对实际⼯程中⼤量存在的边界形状复杂的区段内的流动，鉴于其复杂性和测量的困难性，实验往往只能给出总流的参数，却⽆法给粗区段内详细的流场信息，⽽数值模拟能够给出相关流场的具体信息[]2。
112.垂直向上圆管内的流动特性和临界热流密度研究
动 力 工 程 JOURNAL OF POWER ENGINEERING
Vol.25 Sup Oct.2005
垂直向上圆管内的流动特性和临界热流密度研究
樊普 1，秋穗正 1, 2，贾斗南 1, 2
（1. 西安交通大学能源与动力工程学院核能科学与工程系；710049； 2. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室；710049） 摘 要：高含汽量下的临界热流密度预测对于直流蒸汽发生器、事故工况下反应堆堆芯的安全具有工程 价值。本文基于液滴夹带、沉积和液膜蒸发理论来预测垂直向上均匀加热圆管内环状流的液膜厚度和 液膜质量流速沿轴向的变化。当液膜蒸干时，干涸发生，此时计算的热流密度即为临界热流密度。理 论计算的临界热流密度值较实验数据偏高，偏差在 30％以内。 关键词：环状流；临界热流密度；干涸；夹带；沉积
动 力 工 程 JOURNAL OF POWER ENGINEERING
EDe e 2 ) e∞
Vol.25 Sup Oct.2005
内的压力剃度； 2.根据已知的压力梯度和液膜厚度， 利用式(2)来计 算界面剪切应力 τ ； 3.利用式(5)积分计算液膜内速度分布； 4.利用式(6)积分计算液膜质量流量 W f 。
τi du = dy µl + ε m ρl
ro − δ 1 dp ) + (ρ lg+ 2 r y dz − o
(4)
2 ro − y ro − δ − 1 r −y µl + ε m ρ l o
在某一半径 r 处的液膜速度 u 可以对(4)积分得到， 即：
−
, Re f = ρ f j f Dh Re fc 为临界 e∞ = tgh(7.25 × 10−7 We1.25 Re0.25 f )
竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究
竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究竖直圆管内非等温圆球沉降行为的直接数值模拟研究一、引言在工程和科学研究中，我们经常会遇到一些涉及流体动力学的问题。
其中一个典型的问题是在竖直圆管中观察和研究非等温圆球的沉降行为。
这个问题的研究对于我们理解流体力学、热传递和动力学等领域的基本原理非常重要。
为了更深入地探究这个问题，本文将使用直接数值模拟的方法进行研究。
二、问题描述考虑一个竖直圆管内，内径为D，长度为L的系统。
在该系统中，有一个非等温的圆球，直径为d，其底部和顶部分别为温度为T1和T2的热源。
我们的目标是研究圆球在管道中的沉降行为，并分析温度和速度对其行为的影响。
三、理论模型1. 动量方程我们首先根据牛顿第二定律，可以得到圆球的运动方程。
根据该方程，圆球所受到的重力和流体的阻力将决定其运动状态。
由于管道内的流体为牛顿流体，我们可以使用Navier-Stokes方程描述其流动。
2. 能量方程为了考虑温度对沉降行为的影响，我们还需要引入能量方程。
该方程描述了热量的传递和流动。
3. 边界条件在研究过程中，我们需要指定一些边界条件，例如管道内的初始温度分布、圆球的初始位置和初始速度等。
这些边界条件将直接影响到最终结果的准确性。
四、数值模拟方法在本次研究中，我们将采用有限体积法进行数值模拟。
这种方法将管道划分为一系列单元，并在每个单元中求解动量方程和能量方程。
我们还将采用隐式格式来保证计算的稳定性和准确性。
五、数值模拟结果分析通过进行数值模拟，我们得到了圆球的沉降行为，并对不同温度和速度条件下的结果进行了分析。
1. 温度影响的分析我们首先研究了圆球沉降过程中温度的变化情况。
根据我们的数值模拟结果，我们观察到圆球的温度在下降过程中逐渐趋于稳定。
这是因为圆球与流体之间的热传递导致了温度的均衡。
2. 速度影响的分析接下来，我们研究了圆球沉降过程中速度的变化情况。
根据数值模拟结果，我们发现速度与圆球的直径和管道内的流体性质有关。
基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析
基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析吴舒琴;李亦健;魏健健;金滔【摘要】为探究液氮的池内核态沸腾过程,使用RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)沸腾模型对液氮池内核态沸腾阶段不同壁面过热度下的沸腾工况进行了数值模拟.计算得到的液氮核态沸腾区域的沸腾曲线与文献中的实验结果相吻合,验证了RPI沸腾模型和相关沸腾参数模型用于液氮核池沸腾模拟的可行性.依据气相分布云图讨论了不同过热度工况下沸腾发生过程中气液相分布的变化情况,并分析了气相的生成和上升过程.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】6页(P27-32)【关键词】液氮;池沸腾;核态沸腾;数值模拟【作者】吴舒琴;李亦健;魏健健;金滔【作者单位】浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027;浙江大学制冷与低温研究所/浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TB611 引言液氮等低温流体被广泛用于超导体冷却、航空航天、低温医疗等领域，其中许多方面都涉及到低温流体的沸腾换热过程，如低温储罐及管道的冷却、低温流体的生产设备等。
沸腾是复杂的换热现象，涉及的影响因素众多。
池沸腾有以下几个阶段：自然对流区、核态沸腾区、过渡沸腾区和膜态沸腾区。
其中核态沸腾区温压小、传热强，许多工业应用都会选择此区域。
学者们对常温流体池沸腾已有较为充分的研究，现有的沸腾换热关联式及机理模型大都基于常温流体建立。
液氮等低温流体的表面张力和接触角小、蒸发潜热低，热物性与室温流体有较多不同，许多常温流体沸腾的研究结果不可直接应用于低温流体[1]。
在20世纪五六十年代，出于航空航天及低温推进剂的应用需求，针对低温流体沸腾换热的研究开始兴起[2]。
竖直圆管内纳米流体自然对流沸腾的临界热通量研究
中图分类号；Ｔ ２ ：Ｔ ０ １３ Ｋ１４ Ｑ ２ －
文献标 识码 ；Ａ
Ｃｒ ｔｃ ｌ ｅ ｔＦｌ ｆＮ ａ ｏ ｕ ｄ ｕｒ ｎ ａ ｕ ａ ｎ ｃ ｉ ｅＢ ｏ ｌｎ ｎＶｅ ｔｃ ｌ ｂｅ ｉｉａ ａ ｕｘ ｏ ｎ ｆ ｉ ｓｄ ｉ ｇ Ｎ ｔ ｒ ｌＣｏ ｖｅ ｔｖ ｉｉ ｇ ｉ ｒｉ ａ Ｈ ｌ Ｔｕ ｓ
ｎ ｒ ｉａ ｈ ａ ｌ ａ ｄ ｃｉ ｃ ｅ ｔｆ ｘ（ ｔｌ ｕ ＣＨＦ ｆｗａｅ ｄ ｗａｅ—ａｅ Ｏ ａ ｏ ａｔ ｔ—ｕｐ ｎ ｉｎ ｎ ｎ ｆ ｉｓ ｎ ｖ ｒ ｃ ）ｏ ｔｒａ ｔｒｂ ｓｄ Ｃｕ ｎ ｎ ｐ ｒ ｃｅｓ ｓ ｅ ｓｏ ｓ（ａ ｏ ｕｄ ）ｉ ｅｔ ａ ｎ ｉ ｌ ｉｌ
Ｏｃ ｔ
２ ０ ０７
文章编号 ：１０ －０ ５２ ０ ）５０ ３ －６ ０ ３９ １（０ ７０ －７ ４０
竖 直 圆 管 内纳 米流 体 自然 对 流 沸腾 的 临界 热 通 量 研 究
吕伦春， 刘振华
（ 上海交通 大学 机械 与动 力工程 学院， 上海 ２ ０ ３ ） ０ ０ ０
摘 要 ；对 大气 压下纳米流体在 竖直细小圆管 内自然对流沸腾特性 和临界热通量（ＨＦ 进行 了试验研究 。工质 使用 了 Ｃ ）
ｄ ａ ｔｒ ｄ ＝ ２ １ 、 ｉｍｅｅ ．～５４ ｍｍ ｎ ｔｅ ａ ｏ ｒｔｃｅ ｍａ ｓ ｏ ｃ ｎｒ ｔｏ ａ ｄ ｈ ｎ ｎ ｐａ ｉｌ ｓ ｃ ｎ ｅ ｔａｉ ｎ
＝ ０１ ．～１％ ｆ １ ｗｔ’Ｔｈ ｆｅ ｔ Ｏ ｈ ｅ ｅ ｆｃ ｆ ｔ ｅ
ｎ ｏ ａ ｔｃｅ ｍａ ｓｃ ｎ ｅ ｔａ ｉｎ ｏ ｈ ｏｉ ｎ ｅ ｔ ｒ ｓｅ ｄ ＣＨＦ Ｗａ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｄ Ｔｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ｅ ｕ ｔ ｎ ａ ｐ ｒｉｌ ｓ ｏ ｃ ｎ ｒｔｏ ｎ ｔ ｅｂ ｌ ｇ ｈ ａ ａ ｆ ｒａ ｉ ｔｎ ｎ ｓ ｉｖ ｓｉａｅ ． ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｓ ｌ ｒ ｓ ｓ ｏ ｔ ｔ ｓｎ ｅｔ ｅｄ ｃｅ ｓ ｆｔｅｎ ｍ ｂ ｒ ｆｔ ｅ ａ ｔｖ ｕ ｌ ａｅｃ ｖ ｔ ｓａ ｄ ｔ ｅｓ ｌ ｌｑ ｉ ｏ ｔ ｃ ｇｅｏ ｈ ｗ ｈａ， ｉ ｃ ｈ ｅ ｒ ａ ｅ ｏ ｕ ｈ ｅ ｓｏ ｃｉ ｅｎ ｃｅ ｔ ａ ｉ ｅ ｈ ｏ ｉ ｉ ｕｄ ｃ ｎ ａ ｔ ｈ ｉ ｎ ｄ— ｎ ａ ｌ ｎ ｔ ｅｈ ａ ｉｇ ｓ ｒａ ｅｃ ｕ ｅ ｙ ａｖ ｒ ｈ ｎ ｌｙｅ ｆａ ｓ ｒ ｅ ａ ｏ ｒｉｌ ｓ ｔｅｂ ｌｎ ｅ ｔ ａ ｓｅ ｆｎ ｏ ｕｄ ｈ ｅ ｔ ｕ ｆｃ ａ ｓ ｄ ｂ ｅｙ ｔ ｉ ａ ｒｏ ｄ ｏ ｂ ｄ ｎ ｎ ｎ ｐａｔｃｅ ，ｈ ｏｉｉｇ ｈ ａ ｎ ｆｒｏ ａ ｆ ｉｓ ｒ ｔ ｎ ｌ ｉ ｏ ｅ ａ ｏ ｒ ｒｔ ａ ｈ ｔｏ ｅｂａ ｅｆｕ ｄ Ｉ ｓ Ｓ ｕ ｄｔ ａ ． ｏ Ｓｓ ｍ ｗｈ ｔ ｏ ｅ ｈ ｔ ａ ｆｔ ｓ ｉ ． ｔＷａ ａ Ｏｆ ｎ ｈ ｔ ｃ ｍｐａ ｉｇ ｗｉｈｔ ｅｂ ｅｆｕｄ ｔ ｅＣＨ Ｆ ｏ ｐ ｎ ｈ ｌ ｌ ｏ ｒ ｎ ｔ ｈ ａ ｉ． ｈ ｓ ｌ ｆ ｎ ｏ ｕｉ ｎ ｒ ａ ｅ ｉｎ ｆｃ ｔ ．Ａｎ ｅ ｐｉｉａ ｏ ｒ ｌｔｏ ａ ｒ ｐ ｓ ｄ ｆ ｒｐ ｅ ｉｔｎ ｈ ｎ ｌ ａ ｆ ｄ ｉ ｃｅ ｓ ｓ ｓｇ ｉ ａ ｌ ｉ ｎ ｙ ｍ ｒｃ ｌｃ ｒｅ ａｉ ｎ ｗ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ｏ ｒ ｄ ｃｉ ｇ ｔ ｅ ＣＨＦ Ｏ ａ ｏ ｕｄ ｆｎ ｎ ｆ ｉ ｌ
三维圆管流动状况的数值模拟分析(DOC)
三维圆管流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。
层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。
雷诺数是判别流体流动状态的准则数。
本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。
1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。
流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。
Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。
2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。
在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理3.1 层流流动当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υdRe ν==，故圆管内流动为层流。
假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (1-1)②动量守恒方程：()()()()()()()u uu uv uw u u u pt x y z x x y y z z x ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-2)()()()()()()()v vu vv vw v v v pt x y z x x y y z z y ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-3)()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z zρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-4)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。
液氮深冷低温箱的数值模拟与实验研究
平等人 [６]的研究表明随着 LN２ 流速的增大,气化管内的换热也增加;
R．Tavako
l
i等人 ７ 提出使用 VOF 法追
踪两相流界面,得到提高 计 算 精 度、加 快 收 敛 速 度 的 方 法,对 两 相 流 的 模 拟 计 算 具 有 一 定 的 参 考 价 值;M．
[]
[]
He
r
rmann 等人 ８ 建立了基于 非 结 构 网 格 体 系 上 的 两 相 流 模 型,应 用 于 较 精 细 的 网 格;
[ ]
(
coppe
r)与冷藏箱壁面材料(
a
l
umi
num)的属性 １４ ,设定计算边界条件,冷藏箱表面热流为 ０,由于冷藏箱自
然对流传热过程为非稳态过程,换热器壁面平均温度随箱内平均温度发生变化.根据换热器的模拟结果,拟
合出管道壁面温度与环境温度的对应关系,编 写 成 UDF 导 入 Fl
u
Ｇ
[
]
en
空气垂直下落至冷藏箱底部后散开,在冷藏箱内部形成
涡流,越靠近冷藏箱后壁,空气流速越快,流速随着冷藏
箱内温度的 降 低 而 减 慢,处 于 ０
１０~０
２４ m/s 之 间.
由于涡流的作用,使与 X 轴垂直的中心界面上,冷藏箱
壁面温度沿顺时针 方 向 逐 渐 升 高. 冷 藏 箱 自 然 对 流 传
网格质量检查结果均在 ０
３ 以上,质量良好.
图 ２ 冷藏箱及换热器几何模型
２．
２ 控制方程
将低温箱中的空气考虑为连续介质、常 物 性、不 可 压 缩、稳 态 的 牛 顿 流 体,应 用 Bous
s
i
ne
sq 假 设 于 动 量
竖直环形通道内液氮流动沸腾的数值模拟
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化 Jour nal of Che m i cal
工 I ndustr y
学 and
报 Engi neeri ng ( Chi na )
Vol. 57 M arch
No.文
垂直圆管内液氮流动沸腾的理论模型 及数值模拟
Model l i n 9 an d nu meri cal si mul ati on of boi l i n 9 fl o W of l i Cui d ni t r o9 en i n verti cal t u be
Ll Xi an 9 don 9 "WAN G Ron 9shu n " HU AN G Ron 99u o "SHl Yu mei
李祥东 !汪荣顺 !黄荣国 !石玉美
( 上海交通大学机械与动力工程学院 9 上海 Z 00030 )
妥妥、
Abstr act !The cl osur e e C uati ons of t he t Wo-fl ui d model f or heat and mass tr ansf er s bet Ween li C ui d p hase and va p or p hase duri n g boili n g fl o W of li C ui d nitr o gen Wer e devel o p ed . The f or mul as of t he i nt erf aci al ar ea concentr ati on and t he bubbl e de p art ur e di a met er Wer e modifi ed f or accur at e pr edi cti on. The e C uati ons Wer e i ncor p or at ed i nt o t he t Wo-fl ui d model and t he co mmer ci al CFD code CFX-4. 3. TWo-di mensi onal nu meri cal si mul ati ons of subcool ed boili n g fl o W of nitr o gen i n a verti cal t ube Wer e p erf or med b y usi n g t he modifi ed CFD code. The nu meri cal r esult s sho Wed encour a gi n g a gr ee ment Wit h t he ex p eri ment al dat a avail abl e i n t he lit er at ur e. Det ail ed di stri buti ons of t he voi d f r acti on 9heat tr ansf er coef fi ci ent and li C ui d t e mp er at ur e dif f er ence Wer e obt ai ned 9 l eadi n g t o bett er under st andi n g of t he basi c mechani s ms of boili n g fl o W and r el at ed cooli n g s yst e ms . Key Wor ds ! li Cui d nitr ogen S boili ng fl o W S t Wo-fl ui d model S i nter- p hase transf ers S heat transf er S voi d f racti on 分常见的物理现象 . 当通道主流区内的 液体还 处于 过冷状态时 9 靠近通道壁面的液体 已受热 达到 饱和 温度并汽化产生气泡 S 气泡在各种力的 作用下 沿管 壁滑移一段距离后长大至挣脱直径 9 然 后脱 离固体 壁面 S 脱离后的气泡在向液体主流 区运动 的过 程中
为以上各力之和
j
= -F j
W
式 4 右侧中的各项分别按照文献 7 ～10 的公式计算 这里不再赘述 .
1. 3 相间能量传输
推荐
通用 CFD 求解器 CFX-4. 3 作 为 数 值 求 解 工 具 模 拟 了液氮在垂直管内的流动沸腾过程 数 值计 算 的 结 果与文献中的实验测量值吻合较好 .
沸腾现 象 中 的 相 间 能 量 传 输 主 要 是 指 相 间 传 热 . 根据传热公式 速率为 @ j = A j h 为球 形 颗 粒
双流体模型的基本思想如下
假定 流 场中 满足 流 体力
数及气泡直径d 计算 于气液两相间的质量 界面进行传输
因此界面面积浓度计算 的准确 性就
两相在时空上 共 存 并满 足 各
直接决定了 其 余 传 输 量 预 测 的 合 理 性 . 研 究 发 现 CFX-4. 3 推荐的公式仅适用于气相体积分 数相对 较 低 o g ＜0. Z 5 的情况 对于体积分数更高的情 况 必须对该项 进 行 修 正 . 本 文 采 用 Ishii 等 11 推 荐的关系式计算界面面积浓度
妥妥妥妥妥、
摘要 C 分析了液氮流动沸腾过程中气液两相 间 动 量 \ 能 量 以 及 质 量 的 传 输 规 律 9 建 立 了 相 应 的 理 论 模 型 9 新 模 型重点修正了界面面积浓度和气泡挣脱直径的计算 式 S 采 用 新 建 立 的 理 论 模 型 作 为 封 闭 方 程 对 CFX-4. 3 中 内 建 的双流体模型进行了修正 9 并采用修正后的双流 体 模 型 模 拟 了 液 氮 在 垂 直 圆 管 内 的 流 动 沸 腾 过 程 . 数 值 模 拟 的 结果与文献中的实验数据吻合较好 9 证明了本 文 所 建 模 型 的 合 理 性 . 通 过 数 值 模 拟 发 现 9 两 相 流 参 数 分 布 的 不 均匀性对液氮流动沸腾过程中的热质传输特性有重要影响 . 关键词 ! 液氮 S 流动沸腾 S 双流体模型 S 相间传输 S 传热 S 空泡份额 中图分类号 !TB 61 +1 STK 1Z 4 文献标识码 !A 文章编号 !0438 -1157 ( Z 006 )03 -0491 -07
T
B - V1
+ ~m j U j -~mj U
Z
的流动沸腾过程
能量方程
a at
算了液氮在水平圆管内的流动沸 腾过 程 . 均 相 模型 将气液两相混合物看作为一种赝流 体 热力学参数在管道截面上均匀分 布 . 事 实 上 的
oP ~
+V
o
P U ~ -? V T
3
= @ j + ~m j ~ j -~mj ~
有如下形式 连续性方程
a at
oP
+V
oP U
= ~m j -~mj
1
动量方程
a at
提高冷却系统的性能等都有十分积极的意义 . 以往的研究者曾采用各种两相流 模 型 计算 液 氮 如郑正泉 1 采 用一 维 均 相模 型 计 所有 水 力及 流动
oP U
=o
+V
o
P U U -~
+F
j
VU +
VU
3 气液两 相 间 动量 能 量以 及质量的传输通过控制方程中的相间 传 输 项 或称 封闭方程 进行耦合 . 双流体模型的 基 本 控制 微 分 动量以及能 量 的 守恒 方 程 具 方程包括各相质量
第3 期
李祥东等
垂直圆管内液氮流动沸腾的理论模型及数值模拟
493
Aj =
C A o g -o gs 6o gs 1 -o g + D 1 -o gs d 1 -o gs
j
单位体积内气液两 相间的 换热
1
1. 1
双流体模型及封闭方程
基本控制微分方程
Tj -T . CFX-4. 3 假 定 气 泡 界面面积浓度 A j 可根据气相体积分 A j =6o g d . 必 须 指 出 由 动量以及能量都 通过两 相交
1 的气液两相均为相互穿透的连续介 质 学连续介质假说 自的控制微分方程 Z
Z 005 -03 -15 收到初稿 9Z 005 -11 -1Z 收到修改稿 . 联系人 ! 汪荣 顺 . 第 一 作 者 ! 李 祥 东 ( 9 男9 博 士 研 1977 T) 究生 .
Recei ved dat e !Z 005 -03 -15 . Cor r esP on di n 9 aut h or ! Pr of . WANG Rongshun . E - mai l ! rs Wang ＠s t u. edu. cn
49Z
化
工
学
报
第 57 卷
又被过冷的液体冷凝 . 这种沸腾传热 方 式 的效 率 很 高 特别适合于 冷 却 大 功 率 的 磁 体 及 电 子 元 器 件 对于 因此具有较大的工程应用价值 . 采用 数 值 方法 预 测 液氮在这一过程中所表现出的各 种传 输 特 性 揭示沸 腾 及 气 液 两 相 流 的 物 理 机 制 热 强化沸腾传
对于垂 直管内 的液 氮流动 升 力F L 湍 流 耗 散 力F TD
和壁面润湿 力F
F
. 单位体积内两相间总的作用力
= F D + F L + F TD + F 4
Ishi mot o 等 5 对双流体模型相关方 程 进行了 修 正 和 补 充 模 拟 了 液 氦 中 的 热 质 传 输 过 程 . 本文以低温冷却系统为应用背 景 对二 维 稳态 并 采用 双流体模型的封闭方程进行了选择 和 修 正
5
C A 为 系 数 D 为 管 径 o gs 可 按 Kur ulPodo Wski 1Z 推荐的公式计算
0. 39Z 9 -0. 5714o g o gs = 乡 L 0. 05