热驱动相变两相流模拟框架的开发与应用

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectSoftwareX 5（2016）216原始软件出版物www.elsevier.com/locate/softxinterThermalPhaseChangeFoam--一个热驱动相变两相流模拟框架作者：Mahdi Nabil，Alexander S.拉特纳宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系，University Park，PA，16802，美国接收日期：2016年4月7日;接收日期：2016年8月19日;接受日期：2016年10月1日摘要流体体积法（VOF）是一种成熟的两相流数值模拟方法。然而，相变传热的VOF模拟仍处于起步阶段。在文献中已经提出了多种封闭制剂，每种制剂适合于不同的应用。虽然这些已经实现了重大的研究进展，但很少有实现是公开可用的，积极维护的或可互操作的。在这里，VOF求解器（interThermalPhaseChangeFoam），它包含了一个可扩展的框架，相变传热建模，使不同的现象在一个单一的环境模拟。该求解器采用面向对象的OpenFOAM库功能，包括运行时类型识别，以实现相变和表面张力模型的快速实施和运行时选择该求解器与多个相变和表面张力闭合模型一起打包，这些模型是从早期的研究中改编和改进的该程序已用于研究波纹膜冷凝、泰勒流蒸发、核态沸腾和滴状冷凝。给出了水平膜状冷凝、光滑和波纹降膜状冷凝、核态沸腾和泡状冷凝的验证和网格灵敏度研究、界面输运模型、表面张力模型的杂散电流效应、数值因素引起的人工热传递效应以及平行缩放性能在补充材料中进行了详细描述（参见附录A）。通过将框架和演示案例合并到一个环境中，用户可以快速应用求解器来研究感兴趣的相变过程c2016作者。由Elsevier B. V.发布。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：相变;冷凝;蒸发;流体体积代码元数据当前代码版本2.4.0.5此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00038法律代码许可证GNUGPL V3使用git的代码版本控制系统使用C++的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖OpenFOAM 2.4.0库，基于Linux的环境Swak4Foam扩展（可选，在某些教程案例中用于初始化和边界条件）如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/MahdiNabil/CFD-PC/blob/master/README.md问题支持电子邮件Alex.gmail.com1. 动机和意义地址：236A Reber Building，University Park，PA，16802，UnitedStates电子邮件地址：Alex. psu.edu（A.S. Rattner）。Liquid–vapor phase change plays a key role in manyenergy-intensive processes, and is often a bottleneck forsystem 为了解决这些限制，http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2016.10.0022352-7110/c2016作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。M. Nabil，A.S. Rattner / SoftwareX 5（2016）216217≫stec =−没坐正在开发用于传热设备的越来越复杂的设计然而，由于两相输送的复杂性质和大范围的尺度，精确的分析模型仅适用于最简单的流动（例如，光滑降膜蒸发[1]、球形泡状冷凝[2]）。因此，相变传热社区严重依赖于从具有挑战性的实验和有效性范围有限的简化模型中开发的经验传输相关性[3]。有一个强大的仿真工具，以分析在复杂的配置相变传热过程的需要。在文献中已经采用了许多模拟方法来研究相变传热，包括：液滴和气泡）[4-目前的努力集中在体积的流体（VOF）界面捕捉技术，解决了一个单一的一致的一组质量，动量和能量方程的整个域。界面动力学使用相分数场（α 1）来解决，相分数场（α1）的范围从气相中的0到液相中的1，并且与速度场平流。在每个点处确定材料特性，通过局部相分数加权。流体体积（VOF）公式的相对成熟的实现已经被并入商业软件[19无热传递）。然而，相变传热现象基本上只在研究和学术代码中进行了模拟。这些调查使显着的进步，了解相变传热，但很少有解决方案是公开的，以支持日常使用。在大多数VOF相变研究中，研究人员对现有的绝热两相流求解器进行了改进，并在控制方程中加入了热能输运方程和耦合相变源项。对于这些源项，人们提出了许多封闭的公式.一种方法是使用经验速率参数确定每个单元中的体积相变加热速率[15，22例如，Yang et al.[15]对冷凝和蒸发情况采用了以下形式，速率参数为rL和rV。转移另外，可能有必要为不同的相变过程选择和气泡冷凝、薄膜蒸发）。其他研究已经基于网格单元中的亚连续尺度界面阻力确定了相变速率[16，30]。这种方法在界面附近极细网格分辨率的限制下是有效的，但对于许多实际模拟，网格单元中的连续尺度对流阻力占主导地位（即，/k其中k是网格单元尺寸，k是流体导热系数，并且Ri′n′t表示内部热阻。另一种公式是指定相变源项，以便包含细胞的界面在每个时间步长后恢复局部饱和温度[28，31]。该描述确保相变仅发生在界面附近，并且已在许多应用中得到验证[28]。然而，通过模拟时间尺度（即，对于流体密度ρ、比热cp、温度T、流体饱和温度Tsat和时间步长Tsat，相变加热的体积速率qpcρcp（T Tsat）/T sat）在某些情况下会导致不稳定的行为最严格的方法直接评估 界面处的液相和气相温度梯度，以确定相变速率[17，18，32然而，这需要界面的几何重建（表面三角测量）来确定每个网格单元中的传热面积。这个过程在非结构化网格上可能很复杂，增加了计算成本，并且在一些流行的两个网格中不可用相流求解器（例如，interFoam [21]）。这些相变封闭模型最适合于不同的应用，但大多数是兼容的一般框架，适用于耦合源项的质量，相分数和能量的控制输运方程。然而，在几乎每一个先前的研究中，一个新的扩展求解器被构建，导致大量重复的软件开发和验证工作。希望评估不同已发表公式的研究人员可能需要尝试多个求解器，其中许多没有积极维护。在这 里， 一个 开源的 可扩 展相 变求 解器开发 ：interThermalPhaseChangeFoam。该软件包允许运行时选择不同的相变配方，包括[15，28，38]中的配方新相变Rqstecpc=Lα 1ρLT-Tsat没坐T≥Tsat（一）模型可以通过扩展C++虚拟类：thermalPhaseChangeModel，使用户能够建立在以前的研究进展。所述求解器被rV（1 − α1）ρVT − T satT

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