專利名稱：管道中含有不可凝結(jié)氣體的蒸汽冷凝的數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域的方法，具體是一種在蒸汽管道內(nèi)對(duì)含 有不可凝結(jié)氣體的蒸汽冷凝的數(shù)值模擬方法，即通過對(duì)附加冷凝模型的流體動(dòng)
力學(xué)控制方程組進(jìn)行計(jì)算。
背景技術(shù)：
在許多工業(yè)場合，伴隨著能量轉(zhuǎn)移的蒸汽冷凝是一個(gè)非常重要的物理過程。 但是，當(dāng)蒸汽中存在著不可凝結(jié)氣體的時(shí)候(比如空氣)，即使其含量極其微小， 也會(huì)明顯使工質(zhì)傳熱惡化。
當(dāng)前對(duì)不可凝結(jié)氣體存在情況下的蒸汽冷凝的研究主要分為理論研究和實(shí) 驗(yàn)分析兩大類(1)邊界層與液膜的控制方程模型，該理論認(rèn)為正是蒸汽中的 濃度差和溫度差導(dǎo)致了傳質(zhì)和傳熱，所以將相界面上的邊界層分為兩部分來分 別研究冷凝液相和氣相的蒸汽一不可凝結(jié)氣體混合物。這樣，在不可凝結(jié)的 氣體存在的情況下， 一個(gè)兩相的邊界層建立了起來，再從質(zhì)量守恒和能量守恒 的原理出發(fā)提出了一套數(shù)值計(jì)算模型，清晰地在數(shù)學(xué)方程的基礎(chǔ)上解釋了不可 凝結(jié)氣體限制了蒸汽傳熱的機(jī)理。(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該理論系技術(shù)人員在工程實(shí) 踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一系列的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。這些關(guān)聯(lián)式的 核心思想是將蒸汽一不可凝結(jié)混合流體處理成單相多組分流場，并將其中蒸汽 組分因?yàn)槔淠鴮?dǎo)致的質(zhì)量損失和能量損失用代數(shù)表達(dá)式作為源項(xiàng)加載到流體 動(dòng)力學(xué)控制方程組中來模擬，得到的是冷凝對(duì)整個(gè)流場影響的分析結(jié)果。
目前對(duì)含有不可凝結(jié)蒸汽冷凝的模擬主要是通過Fortran語言等數(shù)值計(jì)算 工具編程計(jì)算得到。離散加載兩種模型的大型非線性耦合微分方程組(特別是 第一類模型還需要建立復(fù)雜的兩相控制方程組)，往往需要耗費(fèi)少至一年，多至 數(shù)年的人力，過程繁雜。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，吳雙應(yīng)等在《熱能動(dòng)力工程》2005年第5
期上發(fā)表的論文"汽液相變系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定性分析"，對(duì)汽液相變換熱過程中的
可用能進(jìn)行了分析，以此為依據(jù)得到了汽液相變系統(tǒng)的相平衡條件、力學(xué)穩(wěn)定
性條件和熱穩(wěn)定條件，但不涉及不可凝結(jié)氣體問題。該方法計(jì)算量很大，適用
于科學(xué)研究，不能應(yīng)用于工程實(shí)際。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種管道中含有不可凝結(jié)氣 體的蒸汽冷凝的數(shù)值模擬方法，可以迅速并且直觀地模擬出冷凝后流場內(nèi)蒸汽 以及不可凝結(jié)氣體組分的濃度變化過程，使得技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)便可獲取現(xiàn) 場蒸汽設(shè)備內(nèi)流場的組分變化情況，從而為優(yōu)化管路設(shè)計(jì)、避免不可凝結(jié)氣體 積聚提供重要的參考依據(jù)。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明利用CFX(由英國AEATechnology公司開發(fā)的大型 商業(yè)流體計(jì)算軟件)平臺(tái)，通過對(duì)蒸汽組分的質(zhì)量連續(xù)方程設(shè)置源項(xiàng)，以模擬帶 有不可凝結(jié)氣體的蒸汽冷凝過程，包括(l)設(shè)定流場內(nèi)的流質(zhì)為組分質(zhì)量百分 數(shù)可變的氣態(tài)混合物，各組分分別表示蒸汽和不可凝結(jié)氣體，且各組分均為理 想狀態(tài)。(2)設(shè)定流場域、進(jìn)口、出口以及壁面等邊界條件。(3)在壁面邊界條 件的源相中對(duì)蒸汽組分的連續(xù)性控制方程組增加Uchida經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。
本發(fā)明方法具體步驟如下
(1) 利用ANSYS. ICEM. CFD軟件對(duì)蒸汽管道內(nèi)飽和蒸汽的流場劃分六面體結(jié)構(gòu) 化網(wǎng)格，在網(wǎng)格化流場的基礎(chǔ)之上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；
(2) 設(shè)定流場計(jì)算域，設(shè)定參考?jí)毫Α向受重力作用以及該參考?jí)毫ο嘛柡?蒸汽的密度；
(3) 定義流場內(nèi)的流質(zhì)為組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可變的氣態(tài)混合物，氣態(tài)混合物的 組分分別為蒸汽和不可凝結(jié)氣體，并且各組分均為理想狀態(tài)，即始終處于氣相；
(4) 在流場計(jì)算域中，設(shè)定氣態(tài)混合物中質(zhì)量可變的蒸汽組分為擴(kuò)散輸運(yùn)方程，質(zhì)量不變的不可凝結(jié)氣體組分為守恒；
(5) 根據(jù)流場的流型選擇湍流模型；建立包含各個(gè)網(wǎng)格質(zhì)量、動(dòng)量和能量守 恒信息的偏微分控制方程組；
(6) 定義流場計(jì)算域的進(jìn)口、出口以及壁面的邊界條件，其中包括入口流體 速度、蒸汽組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、流體溫度、壁面溫度、出口相對(duì)壓力，并將Uchida 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中的質(zhì)量方程作為蒸汽組分的質(zhì)量控制方程組的源項(xiàng)，加載在壁面 邊界條件中；
(7) 對(duì)偏微分控制方程組進(jìn)行離散化，得到代數(shù)方程組并利用以上邊界條件 進(jìn)行封閉；
(8) 利用CFX軟件對(duì)流場計(jì)算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到滿
足所設(shè)定的迭代精度為止，完成管道內(nèi)蒸汽冷凝的數(shù)值模擬。
本發(fā)明所述的湍流模型，CFX平臺(tái)已經(jīng)提供包括層流、s模型和RNG
*_f模型在內(nèi)的基本湍流模型，可根據(jù)實(shí)際Renolds數(shù)的大小進(jìn)行選取。
本發(fā)明所述的壁面邊界條件包括壁面粗糙度和壁面熱傳遞，可將現(xiàn)場或?qū)?br> 驗(yàn)測得的外壁面的溫度值作為熱邊界條件。
本發(fā)明所述的控制方程組，CFX平臺(tái)已經(jīng)提供了其中的時(shí)間項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)
散項(xiàng)，源項(xiàng)默認(rèn)為0，只需要在源項(xiàng)接口部分調(diào)用用CEL編寫的Uchida經(jīng)驗(yàn)關(guān)
聯(lián)式即可。
本發(fā)明所述的離散方法，CFX平臺(tái)提供的High Resolution是一種集迎風(fēng)差 分和中心差分于一體的高精度混合差分格式，使用時(shí)可缺省。
本發(fā)明方法在已有的有限體積法計(jì)算程序基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，使得不 可凝結(jié)氣體在蒸汽冷凝這一復(fù)雜的兩相相變的過程中如何處理的問題得到了簡 便、高效的解決，具有重要的實(shí)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明中在管道不同截面位置經(jīng)過計(jì)算后不可凝結(jié)氣體質(zhì)量濃度 分布云圖。
圖2為經(jīng)過本發(fā)明計(jì)算后得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得值的比較。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖以及具體實(shí)例作進(jìn)一步 描述，實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明技術(shù)特征的支持，而不是限定。
本發(fā)明涉及的物理模型系美國Purdue大學(xué)Revankar等人為了研究垂直管 內(nèi)含有不可凝結(jié)氣體的蒸氣冷凝而搭建的垂直冷凝管。該實(shí)驗(yàn)的物理模型研究 的是軸長(x向)為640腿，內(nèi)徑(D) 32mm的垂直冷凝管，自上而下通入1個(gè) 大氣壓的飽和蒸汽，其中含有1%質(zhì)量的空氣，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)"=0，01，混合氣體雷 諾數(shù)Re-4x104。
由于該實(shí)驗(yàn)物理模型簡單、數(shù)據(jù)詳盡且具有代表性，本發(fā)明對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 數(shù)值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較，以其準(zhǔn)確性，具有很強(qiáng)的說服力。其 主要實(shí)現(xiàn)步驟如下
(1) 利用認(rèn)SYS.ICEM.CFD軟件(全球通用網(wǎng)格劃分及編輯軟件)對(duì)流場進(jìn)行 六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分后，選擇求解器為CFX;
(2) 在"創(chuàng)建" 一欄中選擇"域"用來設(shè)定流場域，設(shè)定參考?jí)毫橐粋€(gè)大 氣壓、Y向受重力作用以及該壓力下飽和蒸汽的密度0. 68kg/m3;
(3) 在"創(chuàng)建" 一欄中選擇"材料"用來設(shè)定流場的介質(zhì)定義流場內(nèi)的流 質(zhì)為組分質(zhì)量可變的氣態(tài)混合物，混合物的組分分別為蒸汽和不可凝結(jié)氣體， 并且各組分均為理想狀態(tài)，即始終處于氣相，材料名稱可自行設(shè)定，這里設(shè)為 mixture;
(4) 在"域"的"流體" 一項(xiàng)中選擇mixture,并設(shè)定質(zhì)量可變的蒸汽組分為 擴(kuò)散輸運(yùn)方程，質(zhì)量不變的不可凝結(jié)氣體組分為守恒；
(5) 根據(jù)流場的流型選擇湍流模型，這里選擇通用的A: — S湍流模型；由CFX 軟件來自行建立包括各個(gè)網(wǎng)格質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒信息的偏微分控制方程組；
(6) 在"創(chuàng)建" 一欄中選擇"邊界條件"分別用來設(shè)定流場的進(jìn)口、出口以
及壁面的邊界條件，其中包括了入口流體速度50m/s、蒸汽組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.99、 流體溫度373K、壁面溫度(從Revankar實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中讀取)和出口相對(duì)壓力OPa;
(7) 在"創(chuàng)建" 一欄中選擇"表達(dá)式"用來編寫Uchida經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中的質(zhì)量
方程，Uchida經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式定義蒸汽的冷凝率"^為
<formula>formula see original document page 7</formula>其中Cu是調(diào)整系數(shù)，與空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，取為450『/(>2《)；a,^和
/V分別表示蒸汽和不可凝結(jié)氣體的密度；T和rw/分別表示氣體和壁面的溫度；
^表示飽和蒸汽汽化潛熱(對(duì)于過熱蒸汽而言，\表示過熱蒸汽與該壓力下飽 和蒸汽的焓差)。
上式中，除了r和7;^外，其余均為混合流場的物理參數(shù)，可通過査閱相關(guān)
文獻(xiàn)得到。附°的最終單位是紐/(附2《)，其物理含義是單位時(shí)間通過凝結(jié)面上單 位面積進(jìn)入(或出去)控制體積的質(zhì)量。由于凝結(jié)是將能量從計(jì)算域輸向外界
的過程，所以，將Uchida模型作為面積源項(xiàng)加載在壁面邊界條件的蒸汽組分連 續(xù)性方程的源項(xiàng)里的時(shí)候，m。前應(yīng)加負(fù)號(hào)；
(8) 利用CFX求解控制器對(duì)以上包含邊界條件的已封閉的偏微分控制方程組 進(jìn)行離散，并對(duì)其迭代求解在"求解控制" 一欄中差分格式選取CFX平臺(tái)默 認(rèn)的High Resolution格式，于物理模型并不復(fù)雜，所以迭代時(shí)間間隔不宜太長， 取0. 5S即可,迭代精度達(dá)到0. 00001，便可以認(rèn)為計(jì)算的結(jié)果已接近實(shí)際效果。
通過上述求解過程得出了各計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的解后，需要通過線值圖、矢量圖、 等直線圖、流線圖、云圖等方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行表示。
圖1是流場分別在x/D=0. 2處、x/D=2處、x/D=10處和x/D=20四個(gè)不同位 置的不可凝結(jié)氣體的質(zhì)量濃度分布云圖。從中可見，流體在自上而下的流動(dòng)過
程中，因?yàn)檎羝恢饾u冷凝(在單位時(shí)間內(nèi)從單位面積計(jì)算域中將蒸汽質(zhì)量按^° 的比率移走)，使得混合流場中不可凝結(jié)氣體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不斷增加。在圖中， 不可凝結(jié)氣體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)隨著管道軸向(X向)距離的增加，越靠近壁面其濃度越高，說明了不可凝結(jié)氣體在凝結(jié)的壁面易于產(chǎn)生積聚現(xiàn)象。這與理論分析和 工程實(shí)踐結(jié)果相吻合。
圖1定性地描述了加載Uchida凝結(jié)模型后流場濃度變化。從CFX后置處理 器中提取x/D=0. 2處、x/D=2處、x/D=10處和x/D=20四個(gè)不同位置處的不同徑 向位置的濃度值，并將它與實(shí)驗(yàn)中相對(duì)應(yīng)位置測量得到的濃度值做比較，定量 地得到圖2。計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值都表明了不可凝結(jié)氣體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)隨著軸向和徑向 距離的增加而增加，無論定性還是定量，計(jì)算值與實(shí)際值吻合得都比較好。
通過以上分析可以看出，本發(fā)明給出的是冷凝對(duì)整個(gè)流場影響的分析結(jié)果， 相比較于其他在擴(kuò)散邊界層和液膜建立兩相控制方程組的復(fù)雜方法，它對(duì)冷凝
液膜將不予以考慮，更有利于實(shí)際操作，并且數(shù)值模擬整體效果是令人滿意的， 尤其是在計(jì)算流場組分濃度、流場密度、濃度梯度等方面的時(shí)候具有很高精度， 表明本發(fā)明方法是一種經(jīng)濟(jì)、高效的方法。
權(quán)利要求
1、一種管道中含有不可凝結(jié)氣體的蒸汽冷凝的數(shù)值模擬方法，其特征在于包括如下步驟(1)利用ANSYS.ICEM.CFD軟件對(duì)蒸汽管道內(nèi)飽和蒸汽的流場劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在網(wǎng)格化流場的基礎(chǔ)之上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；(2)設(shè)定流場計(jì)算域，設(shè)定參考?jí)毫?、Y向受重力作用以及該參考?jí)毫ο嘛柡驼羝拿芏龋?3)定義流場內(nèi)的流質(zhì)為組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可變的氣態(tài)混合物，氣態(tài)混合物的組分分別為蒸汽和不可凝結(jié)氣體，并且各組分均為理想狀態(tài)，即始終處于氣相；(4)在流場計(jì)算域中，設(shè)定氣態(tài)混合物中質(zhì)量可變的蒸汽組分為擴(kuò)散輸運(yùn)方程，質(zhì)量不變的不可凝結(jié)氣體組分為守恒；(5)根據(jù)流場的流型選擇湍流模型；建立包含各個(gè)網(wǎng)格質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒信息的偏微分控制方程組；(6)定義流場計(jì)算域的進(jìn)口、出口以及壁面的邊界條件，其中包括入口流體速度、蒸汽組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、流體溫度、壁面溫度、出口相對(duì)壓力，并將Uchida經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中的質(zhì)量方程作為蒸汽組分的質(zhì)量控制方程組的源項(xiàng)，加載在壁面邊界條件中；(7)對(duì)偏微分控制方程組進(jìn)行離散化，得到代數(shù)方程組并利用以上邊界條件進(jìn)行封閉；(8)利用CFX軟件對(duì)流場計(jì)算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直到滿足所設(shè)定的迭代精度為止，完成管道內(nèi)蒸汽冷凝的數(shù)值模擬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種管道中含有不可凝結(jié)氣體的蒸汽冷凝的數(shù)值模擬方法，屬于計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明利用CFX平臺(tái)，通過對(duì)蒸汽組分的質(zhì)量連續(xù)方程設(shè)置源項(xiàng)，以模擬帶有不可凝結(jié)氣體的蒸汽冷凝過程，包括(1)設(shè)定流場內(nèi)的流質(zhì)為組分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可變的氣態(tài)混合物，各組分分別表示蒸汽和不可凝結(jié)氣體，且各組分均為理想狀態(tài)。(2)設(shè)定流場域、進(jìn)口、出口以及壁面等邊界條件。(3)在壁面邊界條件的源相中對(duì)蒸汽組分的連續(xù)性控制方程組增加Uchida經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。本發(fā)明方法在已有的有限體積法計(jì)算程序基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)即可準(zhǔn)確模擬帶有不可凝結(jié)氣體的蒸汽冷凝這一復(fù)雜的兩相相變的過程，處理過程簡便、高效。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101201873SQ20071017186
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者永 亓, 杰 文, 程先華, 程鵬亮 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)