基于OpenFOAM的过冷流动沸腾热流固耦合模拟研究

发布时间：2020-09-25 08:28

　　为满足“高效节能与超低排放”的现实目标,大量先进技术被采用,空间结构愈发紧凑,引起局部有限空间内热流密度的急剧提高,给内燃机传热冷却带来巨大挑战。沸腾传热以高效换热和均温特性日益受到广泛关注。由于冷却水腔结构极为复杂,目前数值研究大多采用商业软件对冷却水腔内的沸腾传热过程加以分析,一方面忽略固体侧的真实传热边界条件对流体域的影响,另一方面商业软件有局限性,均导致计算结果精度还有待提高。为此,本文基于开源CFD软件OpenFOAM的框架,首先建立沸腾换热的计算模拟平台;针对内燃机冷却水腔内存在的过冷流动沸腾现象,提出改进的Lee相间传质模型,开发适合于内燃机工况的过冷流动沸腾传热求解器;依据热流固耦合思想,在上述求解器中进一步引入固体域热传导方程,提出流固耦合边界条件,进而开发出固-液-气三相的过冷流动沸腾热流固求解器,推动了内燃机沸腾相变传热理论和数值模拟手段的进步。本文主要研究内容如下:(1)基于VOF方法,引入描述蒸发冷凝作用的Lee相间传质模型,以源项考虑相变作用,重构了相分数方程的源项。并将蒸发和冷凝作用引入压力泊松方程,采用PIMPLE算法求解速度-压力场耦合过程,自行设计整体架构和相变模块库,最后基于OpenFOAM搭建了沸腾换热的数值模拟平台,并以一维Stenfan和二维膜态沸腾问题为对象完成验证。(2)针对典型内燃机工况下冷却水腔内为过冷流动沸腾换热,此过程中高温区的蒸发作用以及主流区的冷凝作用导致气相和液相占比发生变化,考虑不同工况下过热度、饱和温度、过冷度和雷诺数等参数对相间传质传热的影响,从而修正Lee传质模型中的时间弛豫参数(),对相间传质模型进行改进,得到的壁面过热度相对误差在20%以内,小于原始Lee传质模型的模拟误差。模拟其它文献中的数据,得到的结果误差也都小于25%。最后开发出适合于内燃机工况的过冷流动沸腾传热求解器,实现了对过冷流动沸腾复杂传热过程较为精确的模拟。(3)利用过冷流动沸腾传热求解器研究典型内燃机工况下不同流动参数对热流密度的影响规律。结果表明,当入口流速较小时,热流密度的增长速度大于壁面过热度的增长速度,入口流速较大时,流体带走加热区域附近的大量热量,汽泡生长所需能量变少,沸腾受到抑制,沸腾换热曲线斜率上升缓慢。壁面过热度增大,沸腾曲线的斜率逐渐变大,入口温度越高,液体只需吸收较少热量,就能达到沸腾要求,斜率上升得越早。系统压力直接改变流体的饱和温度以及流体物性,增大压力可抑制沸腾。(4)在过冷流动沸腾传热求解器基础上,进一步引入了固体域部分的热传导方程,用特殊关键词各自标记流体域和固体域的物理场和网格。依据分区求解、边界耦合原则编写流固间耦合换热的边界条件,开发出固-液-气三相的过冷流动沸腾热流固求解器chtEvaConFoam。对比分析两个实例中沸腾换热曲线和气相体积分数分布的模拟值和试验值,此求解器可准确模拟流体域内沸腾换热过程以及固体域的温度分布情况。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

框架图,框架图,过冷流动沸腾,耦合模拟

各章节的联系框架图

冷凝过程

基于 OpenFOAM 的过冷流动沸腾热流固耦合模拟研究于气体动力学理论，从 Hertz Knudsen 方程[52]简化而的表达方式，蒸发速率取决于液体压力和温度，冷凝。示撞击相界面的气体分子可通过冷凝作用进入液相，方面，当液体分子撞击相界面时，它们中的一部分通的被反射回液相。Knudsen[52]定义了蒸发系数（）和冷液体分子在撞击气液相界面时转变为气体的比例，凝的气体分子比例。

几何形状,复杂网,底层文件,支持区域

实现对沸腾换热模拟平台的验证。enFOAM 简介enFOAM 根据有限体积法对偏微分方程进行求解，采用的是面nFOAM 的基本框架如图 3.1 所示，可分为三个部分：主要包括-pocessing）、求解部分（Solving）及数据后处理部分（Post-po库（Library）来描述燃烧、空化和湍流等常见现象，模拟流体反应、多相流传热等问题，甚至还能处理电学和金融问题。它的几何形状，支持区域分解并行计算等优点。OpenFOAM 提处理软件数据转换的接口，支持第三方软件生成的复杂网格转术，这使得 CFD 模拟工作的前后处理更加便利。研究者可以立新模型并植入到软件内，也可以修改底层文件，开发新的高提高计算精度。

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