流体-传热沸腾分析

1、ANSYS 教学算例集传热沸腾分析撰写：审核：校对：2017 年 12 月 29 日目录1摘要42传热沸腾模型介绍4前处理43求解设置54启动Fluent54.14.2网格缩放64.3求解器设置7多相流模型设置84.4能量方程求解设置94.5紊流模型设置104.64.7添加材料114.8多相流中相设置12操作条件设置144.94.10 边界条件设置15heatsource 边界条件设置154.10.14.10.2wall_surface 边界条件设置174.10.3top 边界条件设置184.11 求解方法设置194.12 流场初始化214.13 计算自动保存设置244.14 求解255后处理

2、265.1迭代残差曲线265.2云图显示265.2.1 创建 x=0 平面265.2.2 体积分数云图275.2.3 速度分布云图295.2.4 密度分布云图315.3矢量图显示336结论351摘要沸腾传热是热量从壁面传给液体，使液体沸腾气化到对流传热过程。本算例将演示如何用Fluent 中的 VOF 模型和蒸发-冷凝模型来模拟传热沸腾。2传热沸腾模型介绍图 1 是传热沸腾模型三维示意图。容器为圆柱体，圆柱高 40cm，底面直径为 16cm，底部受热区域为圆形，圆心位置与圆柱底面圆心重合，直径为 5cm。图 1 容器沸腾模型三维示意图3前处理在 DesignMer 中建立模型，然后在 Ansy

3、s Meshing 中划分网格。圆柱底部受热区域为heatsource，类型为 wall；底部其他区域以及圆柱侧面为wall_surface，类型为 wall；圆柱顶面为 top，类型为pre划分如图 2 所示。re_outlet。模型网格图 2 网格划分图4求解设置4.1 启动 Fluent启动Fulent，将 Dimen设置为 3D，如图 3 所示。图 3 Fluent 启动设置4.2 网格缩放在 DesignMer 中建模时默认采用 m 作为。为了进一步确保模型尺寸设置正确，建议打开 scale 来检查模型尺寸设置是否正确。如果不正确，通过设置缩放因子来设置。网格缩放设置如图 4 所示。

4、图 4 网格缩放设置4.3 求解器设置将Solver Type 设置为Prere-Based，Solver Time 设置为Transient，并勾选Gravity，设置 x 方向和 y 方向重力加速度为 0，z 方向重力加速度为-9.81m/s2。如图 5 所示。图 5 求解器设置4.4 多相流模型设置打开模型树中的【M】【Multiphase】，Multiphase M选用 Volumeof Fluid 模型，Number of Eulerian Phases 设置为 3。其他设置保持默认。如图 6所示。图 6 多相流模型设置4.5 能量方程求解设置打开模型树中的【M】【Energy】，勾

5、选 Energy Equation。如图 7 所示。图 7 能量方程求解设置4.6 紊流模型设置打开模型树中的【M】【Viscous】选择 k-epsilon 模型，其余保持默认，设置如图8 所示。图 8 紊流模型设置4.7 添加材料双击模型树中的【Materials】，在弹出的框右侧选择【Fluent database】，在 Fluent Database Materials框中找到 water-liquid，water-vapor 项，单击下方copy 选项。图 9 添加材料设置4.8 多相流中相设置打开模型树中的【Ms】【Multiphase】【Phases】，设置 Primary Ph

6、ase的名称为air，材料为 air，Secondary Phase 的名称为 water-liq，材料为 water-liquid,Secondary Phase 的名称为 water-vap，材料为 water-vapor。如图 10 所示。图 10 相设置打开模型树中的【Ms】【Multiphase】【Phaseeractions】，选择 Mass选项卡，From Phase 设置为water-liq，To Phase 设置为 water-vap，Mechanism 设置为evaporation-condensation。如图 11 所示。单击Edit，在弹出的Evaporation-C

7、ondensation M框中设置 Evaporation Frequency 为 0.2，CondensationFrequency 为 0.1，其他选项保持默认，如图 12 所示。图 11 相间质量相互转换设置图 12 Evaporation-Condensation 模型设置4.9 操作条件设置双击【Cell Zone Conditions】，点击 Operating Conditions。Operating Prere保留默认值（国际标准大气压值）。设置 Reference Prere Location 为 x=0m，y=0m，z=0m。勾选 Specified Operating D

8、ensity，设置 Operating Density 为 0.5542。如图 13 所示。图 13 操作条件设置4.10边界条件设置4.10.1heatsource 边界条件设置双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的 heatsource，Momentum 选设置保持默认，如图 14 所示；Thermal 选Thermal Conditions 选择Temperature，Temperature 设置为 1873.15，其余选项保持默认。如图 15 所示图14 Heatsource 边界条件设置一图15 Heatsource 边界条件设置二4.10.2wall_

9、surface 边界条件设置双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的 heatsource，Momentum 选设置保持默认，如图 16 所示；Thermal 选Thermal Conditions 选择Temperature，Temperature 设置为 1873.15，其余选项保持默认。如图17 所示图16 wall_surface 边界条件设置一图17 wall_surface 边界条件设置二4.10.3top 边界条件设置双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的 top，在下方的TYPE 中选择为Pre选re outlet。Mo

10、mentum 选设置保持默认，如图 19 所示。设置保持默认，如图18 所示；Thermal图18 top 边界条件设置一19 top 边界条件设置二图4.11求解方法设置打开模型树中【Solution】【Methods】，将 Scheme 选择为PISO 算法，其他选项保持默认。如图20 所示。图 20求解方法设置打开模型树中【Solution】【Controls】，选项保持默认。如图 21 所示。图 21 求解控制设置4.12流场初始化双击【Initialization】，将默认的 Hybrid Initialization 改为Standard Initialization，注意Init

11、ial Values 中将 water-liq Volume Fraction 和 water-vap Volume Fraction 设置为 0，单击Initialize。如图 22 所示。图22 初始化设置单击Setting UpAdapt 选的Mark/Adapt Cells，选在下拉菜单中选择Region。首先设置 X Min 为-0.1，X Max 为 0.1，Y Min 为-0.1，Y Max 为 0.1，Z Min 为 0，Z Max 为 0.2，单击Mark。如图 23 所示。图 23 Adapt 设置双击【Initialization】，单击 Patch。Phase 选择 w

12、ater-liq，Variable 选择 Volume Fraction，Registers to Patch 中选中hexahedron-r0，然后将Value 改为1，单击Patch。如图 24 所示。图 24 Patch 设置一Phase 选择mixture，Variable 选择 Temperature，Registers to Patch 中选中hexahedron-r0，然后将 Value 改为 365，单击Patch。如图 25 所示。图 25 Patch 设置二4.13计算自动保存设置打开【Calculation Activities】 【Autosave】，设置 Save D

13、ata File Every （TimeSteps）为 4，其余选项保持默认。如图26 所示。图 26 自动保存设置4.14求解双击Run Calculation，设置Time Step Size 为 0.1，Number of Time Steps 为1000，Time Step所示。Method 为Fixed，Max Iterations/Time Step 为 20。如图27图 27 求解设置5后处理5.1 迭代残差曲线迭代残差曲线如图28 所示。28 残差曲线图5.2 云图显示5.2.1 创建 x=0 平面单击 Setting UpSurface 选的 Create-Iso-选Surf

14、ace，Surface of Constant 选择Mesh，X-Coordinate，Iso-Values 设置为 0，FromZones 选择fluid，New Surface Name 为Plane-4。如图 29 所示。图 29 x=0 平面创建5.2.2体积分数云图双击左侧树 Results 下的 Contour，创建云图，Contour of 选择 Phase 的Volume fraction，Phase 选择water-vap，Options 中勾选Filled，Surfa列表中选中plane-4，单击Save/Display，如图 30 所示。显示结果如图 31 所示。图 30

15、 Volume Fraction 的contour 设置图 31 Volume Fraction 的contour 显示图5.2.3速度分布云图将 Contour of 设置为 Velocity 的 Velocity Magnitude，Phase 为 mixture，Surfa列表中选中 plane-4，单击 Save/Display，如图 32 所示。显示结果如图33 所示。图 32 Velocity Magnitude 的contour 设置图 33 Velocity Magnitude 的contour 显示图5.2.4密度分布云图将Contour of 设置为 Density 的Density，Phase 为mixture，Surfa列表中选中plane-4，单击Save/Display，如图 34 所示。显示结果如图 35 所示。图 34 Density 的contour 设置图 35 Density 的contour 显示图5.3 矢量图显示双击左侧树 Ve