蒸气泡沿圆管下壁面运动的格子Boltzmann模拟

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沸腾传热因其传热强度高的特性引起了各界的重点关注,已被广泛应用于制冷、核电、新能源等领域。为探寻沸腾传热机理而产生的气泡动力学也逐步发展。各国学者在不懈的研究下,提出了多种验证成功并得以应用的数学模型,积累了不少实验经验,取得了丰硕成果。沸腾传热过程中,传热表面的结构对传热强度有重要的影响。但是,大部分学者选择研究水平或竖直壁面,针对弯曲壁面的模型相对较少,而实际生产生活中弯曲壁面如圆管十分常见。因此研究圆管表面上蒸气泡的动力学特性与传热传质有着极为重要的科学意义和应用价值。  本文首先介绍了格子Boltzmann的基础理论,其中详细介绍了格子Boltzmann的模型、热格子Boltzmann模型以及多相/多组分格子Boltzmann模型,并通过算例验证了各模型的准确性和适用性。同时介绍了格子 Boltzmann模拟中常用的几种边界处理格式,以及生成适体坐标下格子Boltzmann模型所需的GILBM方法。  之后,本文介绍了可用于模拟蒸气泡沿圆管下壁面运动的复合格子Boltzmann模型。本文选用了适体坐标下的适用于非等温、伴随相变的流场的复合格子 Boltzmann模型,并通过模拟蒸气泡在水平壁面上生长和脱离等算例验证了该模型在边界非规则、非等温、两相流流场的适用性和准确性。  最后,使用此模型模拟了蒸气泡在圆管下壁面上的生长、运动过程,研究了Ja数对蒸气泡和流场等参数间的相互影响规律。研究结果表明,蒸气泡先由类半圆形的汽化核心扩展为类圆形后沿壁面滑移。滑移过程中,在壁面和各种力约束下,蒸气泡形状扁平化明显,并具有脱离壁面的趋势。气泡运动引起了温度场的扰动,强化了传热。由于蒸气泡在过热的温度场内,气-液界面周边流体因不断吸热而汽化,导致蒸气泡的体积逐渐增大。对比不同Ja数下的模拟结果可知,气泡运动过程中蒸气泡大小、速度、气泡形心到壁面距离和流场温度等相关参数变化的频率及幅度与Ja数正相关。
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