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基于扩散界面的多相流SPH模型及气液相变的直接数值模拟

2020-12-02阅读(642)

基于扩散界面的多相流SPH模型及气液相变的直接数值模拟

论文摘要

气液相变广泛存在于自然现象和实际应用中。深入研究其现象和机理,具有重要的实际意义和科学价值。气液界面的处理是其中一个难点,尤其当研究尺度下降到界面厚度时,传统的突变界面法就会失效,因此需要一种能够描述连续密度梯度的扩散界面方法。另外,固壁面的湿润度对微尺度下的液体运动和相变也具有重要影响。本文将建立一种基于扩散界面的SPH多相流模型,与可变湿润度固壁面的边界处理方法,以实现气液相变的直接数值模拟。基于扩散界面的SPH模型采用了单组分的流体控制方程来描述气液两相的运动,以范德华方程作为真实流体的状态方程,并在动量方程中耦合Korteweg张量来实现气液相间的扩散界面。采用SPH粒子方法对拉格朗日形式的流体控制方程进行了离散,并对算法进行了优化。同时,提出了第二类边界条件模型,以及表面湿润度模型。通过双边表达形式,将固体壁面处理成带有一定扩散厚度的流固界面。采用多个基础算例,验证了该SPH模型在描述气液相变系统、第二类边界条件、变湿润度表面、以及流动问题等方面的准确性。基于该模型,我们研究了液滴在真空和低压下自发的气液分离过程,液滴在湿润度梯度表面上的自发融合过程,以及三维水膜在亲疏水壁面上的沸腾过程等问题。首先在不考虑边界条件的情况下,研究了过热液滴在真空或低压环境下自发的气液分离过程。归纳了液滴气化过程中的变化规律,发现了表面蒸发、内部成泡、破碎和闪蒸等四种不同的沸腾模式。从热力学角度解释了不同沸腾模式的相变机理,定性、定量地分析了各种沸腾模式的主要现象和主要特征,总结了这四种沸腾模式在不同流体温度和密度下的图谱分布。分析了液滴的初始形状、尺寸以及导热系数对沸腾模式的影响。接着采用壁面湿润度模型,研究了湿润度梯度表面上液滴自发的移动和融合过程。定量地分析了液滴移动过程中,湿润度对移动速度的影响,明确了液固界面上的表面张力与液滴移动的关系。研究了湿润度周期性变化的表面上液滴的融合过程,总结了变湿润度条件下液滴融合的主要规律,分析了温度改变和变湿润度的布置形式对于液滴融合的影响。最后,我们采用水的真实物性,直接数值模拟了三维液膜在亲疏水壁面上加热和沸腾的过程。通过局部加热和整体加热两种加热方式对该问题进行了研究。绘制了流体在密度-温度相图上的状态变化轨迹,解释了表面蒸发和膜态沸腾的不同机理,并对沸腾模式进行了区分。通过数值模拟的方法预测了临界热流密度（CHF）,得到了与文献中实验结果相一致的结论。接着分析了流体厚度和加热方式对临界热流密度的影响,讨论了湿润性对沸腾的影响。发现在相对更亲水的表面上液体更容易发生膜态沸腾现象。在疏水表面上,蒸汽相更不稳定,在某些工况条件下可能出现“跳跃”现象,从而达到增强传热的效果。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 符号说明
  • 1. 绪论
  •   1.1. 气液相变的工业背景
  •     1.1.1. 沸腾换热
  •     1.1.2. 沸腾爆炸
  •     1.1.3. 悬浮等离子喷涂
  •   1.2. 界面的处理方法
  •     1.2.1. 突变界面
  •     1.2.2. 扩散界面
  •     1.2.3. 固壁边界
  •   1.3. 数值模拟方法
  •     1.3.1. 分子动力学
  •     1.3.2. 格子玻尔兹曼法
  •     1.3.3. 耗散粒子动力学
  •     1.3.4. 光滑粒子流体动力学
  •   1.4. 本文的主要内容和创新点
  • 2. 相变和流体基本理论
  •   2.1. 气液相变理论
  •     2.1.1. 范德华状态方程
  •     2.1.2. 系统的稳态、亚稳态和非稳态
  •     2.1.3. 相变机制
  •   2.2. 流体力学理论
  •     2.2.1. Navier-Stokes-Korteweg方程
  •     2.2.2. 第二类边界条件
  •   2.3. 本章小结
  • 3. SPH数值方法
  •   3.1. SPH方法
  •     3.1.1. 基本思路
  •     3.1.2. 核函数的选择
  •     3.1.3. 粒子近似
  •   3.2. 控制方程离散
  •     3.2.1. 离散形式
  •     3.2.2. 密度、速度和能量方程的离散
  •   3.3. 边界模型的离散
  •     3.3.1. 第二类边界条件
  •     3.3.2. 表面湿润度
  •     3.3.3. 边界粒子布置
  •   3.4. 数值算法
  •     3.4.1. 粒子搜索法
  •     3.4.2. 时间积分
  •   3.5. 本章小节
  • 4. 模型验证
  •   4.1. 范德华流体
  •     4.1.1. 初始设置
  •     4.1.2. 液滴的气液分离
  •     4.1.3. 表面张力
  •     4.1.4. 饱和蒸汽压
  •   4.2. 边界模型
  •     4.2.1. 第二类边界条件
  •     4.2.2. 表面湿润度
  •   4.3. 流动问题
  •     4.3.1. 圆柱绕流
  •     4.3.2. 泊肃叶流动
  •   4.4. 本章小结
  • 5. 液滴沸腾的气液分离过程
  •   5.1. 引言
  •   5.2. 初始设置
  •   5.3. 液滴状态的变化规律
  •     5.3.1. 沸腾现象
  •     5.3.2. 表面蒸发
  •     5.3.3. 内部成泡
  •     5.3.4. 破碎及爆炸
  •     5.3.5. 闪蒸沸腾
  •   5.4. 参数的影响
  •     5.4.1. 液滴的尺寸
  •     5.4.2. 液滴的初始形状
  •     5.4.3. 导热系数
  •   5.5. 结论
  • 6. 变湿润度固壁面上液滴的自发运动
  •   6.1. 引言
  •   6.2. 液滴移动
  •     6.2.1. 初始设置
  •     6.2.2. 液滴的移动规律
  •   6.3. 液滴融合
  •     6.3.1. 初始设置
  •     6.3.2. A型壁面液滴的融合规律
  •     6.3.3. B型壁面液滴的融合规律
  •     6.3.4. 温度与亲疏水的综合影响
  •   6.4. 本章小结
  • 7. 亲疏水固壁面上水的三维液膜沸腾
  •   7.1. 引言
  •   7.2. 初始设置
  •     7.2.1. 导热系数的修正
  •     7.2.2. 粒子及参数设置
  •   7.3. 局部加热
  •   7.4. 整体加热
  •     7.4.1. 表面蒸发
  •     7.4.2. 膜态沸腾
  •   7.5. 临界热流密度
  •     7.5.1. 整体加热的临界热流密度
  •     7.5.2. 局部加热的临界热流密度
  •   7.6. 亲疏水固壁
  •     7.6.1. 湿润度的影响
  •     7.6.2. 跳跃沸腾
  •   7.7. 本章小结
  • 8. 总结与展望
  •   8.1. 全文总结
  •   8.2. 工作展望
  • 参考文献
  • 作者简介
  • 发表文章目录

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 章呈昱

    导师: 熊红兵

    关键词: 气液相变,范德华方程,扩散界面,方法,沸腾传热

    来源: 浙江大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 力学

    单位: 浙江大学

    分类号: O359

    DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000904

    总页数: 166

    文件大小: 13340K

    下载量: 198

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