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低温气液两相流研究中的CFD技术

来源：欧得旅游网

第32卷　第3期低　　温　　与　　超　　导Vol.32　No.3

2004年8月Aug.2004CRYOGENICSANDSUPERCONDUCTIVITY

低温气液两相流研究中的CFD技术

李祥东　汪荣顺　顾安忠

(上海交通大学制冷与低温工程研究所,200030)

摘要:介绍了CFD技术的优势及发展现状:论证了将CFD技术引入到低温气液两相流系统研究及开发中的可行性;通过分析CFD通用软件中理论模型的不足,找到了限制CFD技术在低温气液两相流研究中应用的关键因素,并拟定了解决方案。

关键词:CFD　低温气液两相流　数值预测　可行性分析　解决方案

1　问题的提出

在国民经济的许多部门,如机械制造、冶金、电子、能源动力、食品工业以及空间技术和农业中都广泛地采用各种低温气液两相流系统;特别是在一些高新技术领域,如超导磁体冷却等过程中,更是要利用低温气液两相流极高的传热效率来强化传热。深入了解低温液体气液两相流过程中的各种传输机理,对于设计、操作和优化这些系统具有十分重要的意义。气液两相流是一种十分复杂的物理现象,虽然这方面的研究一直没有停止,但人们对气液两相流的机理还远未了解,两相流系统的设计和开发还在很大程度上依赖工程技术人员的经验。在低温系统中,由于低温液体具有饱和温度低、汽化潜热小的特点,在流动过程中更易发生汽化,其流动及传热具有更为复杂的瞬变特点,因而低温气液两相流系统的研究和开发比一般两相流系统更为困难。

目前,人们大多采用试验的方法进行低温流动系统的研究及开发。在这种开发过程中,人们依靠试验取得数据,建立经验公式,分析试验中发现的问题,改进设计,推动工程技术的进步。然而,试验方法会受到各种客观条件的限制,如规模大小、影响因素多样化、测试技术等因素的限制;并且,试验研究一般情况下只能给出少数几个物理量之间的关系,从而降低了试验结果的应用价值。另一方面,实验室中进行的实验与工程实际往往存在这样那样的不同,利用试验结果很难对实际的工程应用给出预测,这在实际应用中必然存在较大的风险。此外,传统的试验研究方法还存在投资大、周期长、试验结果重复性差等难以克服的缺点。在科技竞争日益激烈和国民经济迅速发展的现状下,这种研究方法的缺陷显得日益明显,已不能满足各行业不断增长的要求。因此,寻找经济高效的研究手段代替试验手段,以缩短开发周期和节约研究成本就显得尤为重要。

随着现代科学技术的不断进步,人们对于工程中常见的流动、传热以及相变等现象的本质逐步有了完整的认识,并建立了相应的理论框架及计算模型。这些理论从根本上揭示了流动和传热的内在规律,已在大量的实验研究及工程应用中得到验证,无论是在试验模型还是在实际装置中都是适用的。从这些揭示现象本质的理论出发,建立一套具有较强适用性的数学模型,并开发相应的求解及分析方法,可以以较低的代价和较快的速度实现对工程现象的准确预测。这种称为数值模拟或数值仿真的方法现已在很多领域中得到成功应用,并有望发展为今后工程研究的主流方法。

2　CFD技术现状

在针对流动与传热问题的数值方法中,CFD技术无疑是适用性最强、精确度最高的一种。CFD,是计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)的简称,属于流体力学理论研究的一个分支。CFD技术通常是指采用计算流体力学的理论及方法,借助计算机对工程中的流动、传热、多相流、相变、燃烧、化学反应等现象进

收稿日期:2004-04-19

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行数值预测的一种工程研究方法。与试验研究方法相比,CFD技术的主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果,并能实现对设备及过程的精细描述。对低温气液两相流一类投资大、周期长、难度高的实验来说,CFD技术的优势就更为明显。可以说,CFD技术相当于是一个通用的、多功能的大型数值试验场,通过进行数值实验,可以方便地评价、选择多种设计方案,进行优化设计,从而大幅度减少实验室及现场实体试验研究的工作量。

作为一种先进的工程研究手段,CFD技术自问世之初就受到普遍的关注,在欧美等发达国家和地区更是得到政府部门和企业界的广泛支持。20世纪90年代以来,随着CFD技术与各行业越来越多地结合,在工程界逐步形成了以CFD为基础的CAE(ComputerAidedEngineering)软件库和一个以计算流体力学为核心的CFD产业,CFD本身也逐渐发展成为一门相当成熟的学科。其应用领域早已超越了传统的流体力学和流体工程的范畴,而扩展到航空航天、车辆,舰船及飞行器外形设计、化工、材料、能源、冶金、食品、暖通空调、防火安全、环境保护、中长期天气及洋流预报、医疗保健等众多相关领域中去了。在有些行业中,CFD技术已经成为工程研究与设计的主要工具,而试验研究逐渐退化为一种验证手段。

CFD通用软件的出现与商业化,对CFD技术在工程应用中的推广起到了巨大的推动和促进作用。世界

上第一个CFD通用软件PHOENICS出现于1979年,由计算流体力学大师Spalding教授及其合作者开发成功,该软件后由英国CHAM公司于1981年正式投放市场。此后,大量的此类软件,如FLUENT、STAR-CD、FLOW3D、CFX等如雨后春笋般先后涌现。到目前为止,全世界已拥有50余种此类求解流动与传热问题的商业软件。这些功能强大的通用软件与工程中不断开发出的各种模型(如爆炸模型、心血管模型、多相流

模型、相变模型等)相结合,一方面极大地推进了相关行业的发展,另一方面,也扩展了CFD技术的应用领域,并增强了CFD通用软件的功能。　　　　　　由于各种条件的影响和限制,CFD通用软件在我国引进推广比较晚,直到最近几年才有较大改变,国内CFD技术的研究水平也与国外同行存在较大差距。

3　CFD技术在低温气液两相流研究中应用的可行性分析

从公开发表的文献可以看出,CFD通用软件已在气液两相流及相关设备的优化分析中得以大量采用,并取得了很多成功应用的实例,已能准确地预测化工反应器、电力锅炉、核反应堆以及各种换热器等设备内的气液两相流场及换热情况,为工程开发和设计提供了一种行之有效的辅助研究方法。

近年来,CFD技术正被逐渐引入到低温领域中。Ishimoto[1]对CFD通用软件中的相关模型进行了修正和补充,预测了文丘里管内液氦部分汽化及部分转化为超流氦的过程;Boukeffa[2]等采用CFD通用软件

[3]

FLUENT预测了液氮容器的漏热,预测结果与试验结果吻合良好;Zhang等采用FLUENT预测了板翅式

换热器入口结构对流场分布的影响,并采用试验对数值预测进行了验证,结果吻合良好。但是,由于理论上的不完善,目前CFD技术在低温气液两相流研究中的应用几乎还是一片空白,相关的文献报导也很少。低温气液两相流的研究仍然以投资巨大而收效相对很小的试验手段为主,这不能不说是一种遗憾。

那么,能不能将CFD技术引入到低温气液两相流的分析中?作者基于以下几个方面分析后认为,实现这一目标是完全可能的。

首先,CFD通用软件中的理论框架大多是流体力学、传热学以及热力学等学科中已得到公认并具有广泛适用性的基本定律,适用于包括低温液体在内的任何流体。从这一点来看,将CFD通用软件引入到低温气液两相流及相关设备的分析中是完全可能的。就两相流数值计算的理论模型而言,在经历了均相模型和漂移通量模型之后,目前广泛采用的是双流体模型。双流体模型中,采用两套守恒方程描述气液两相质量、动量及能量的平衡关系,两相之间的相互作用通过守恒方程中的相间传递项来描述。因此,准确地给出这些相间传递项是双流体模型应用的关键问题。由于两相间的传输过程十分复杂,目前的相间传递模型仍然以经验公式为主,并且,这些经验公式大多是基于气(汽)—水两相流系统提出的,它们在低温气液两相流中的适用性还

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有待于进一步验证。只要验证了这些相间传递模型在低温条件下的合理性,或是根据低温两相流的特点对原有模型进行修正或建立新的模型,就完全能够实现CFD技术在低温气液两相流分析中的应用。

其次,CFD通用软件为用户提供了先进的数值处理方法,从而降低了研究的难度,并减少了研究的工作量。大多数工程问题十分复杂,即使对某一过程建立了完整的理论模型,其控制方程也不可能采用经典的数学方法求解,而必须借助计算机采用离散的方法求解。湍流及瞬态问题的数值求解方法一直是计算方法及计算流体力学研究的难点问题,若缺乏专门的知识,这一问题是难以解决的。相反,从CFD技术的产生、发展的历程来看,CFD通用软件已经解决了如数值方法、网格划分、程序编写与实现等问题;其解决工程实际问题的可行性和可靠性已得到验证,并实现了工业化推广应用。目前的CFD通用软件无论在理论模型还是在数值处理方法上都比较严密,部分地具备了面向工程实际应用的能力。借助CFD通用软件,利用软件处理数值问题的能力与经验,工程技术人员仅需将注意力集中在需要解决的具体问题上,从而避免了很多繁琐的工作,达到事半功倍的效果。

最后,针对低温下气液两相流的试验研究已进行了很多,已积累了一个庞大的试验数据库。但是,这些试验数据目前还比较零散,急需系统的整理和归纳,并最终将之提升为可应用于CFD计算的理论模型。

以上条件为采用CFD技术分析低温液体气液两相流过程及设备提供了一个较高的平台。这样的一个平台实质上是前人工作的积累,借鉴这些宝贵的知识和经验并结合具体的问题展开工作,才能使研究更具有针对性,从而离工程实际应用更近一步。

4　存在的问题和解决方案

理论的预测出自于一个数学模型的结果,而不是出自于一个实际的物理模型。这说明数值预测的首要条件是要有准确的数学模型。因此,要将CFD技术应用于低温气液两相流的分析,最基本的要求就是所采用的理论模型必须具有足够的通用性和精确度。CFD通用软件所包含的双流体模型,其基本守恒方程是建立在控制容积基础之上的,具有广泛的通用性;而相间传输项则应根据不同的情况选用不同的模型,其合理性直接决定着数值预测的成败。所以,要实现CFD技术在低温气液两相流中的应用,首先要选择、评价和建立双流体模型中的各相间传输模型。

气液两相间的传输项包括动量、能量和质量的传输。4.1相间动量传输模型

相间动量传输模型是双流体模型中最重要的部分。Ishii[4]指出,除非相间动量传输模型准确给出,否则双流体模型的优势不能得到体现,并会导致数值上的不稳定。相间动量传输常表示为相间作用力的形式,包括曳力和非曳力。Ishii[5]给出了各种流型下相间曳力的计算公式,这些公式在气(汽)—水系统中的适用性已得到充分验证[6,7],在低温气液两相流中的合理性也得到部分验证[8]。相间非曳力包括升力、虚拟质量力、壁面润湿力以及湍流耗散力等,一般的CFD通用软件中都给出了这些力的计算式。相间非曳力应根据具体的情况加以考虑,比如,当计算窄通道传热问题时,壁面润湿力就显得格外重要;而在瞬态问题中,虚拟质量力的作用常常不可忽略。4.2相间能量传输模型

相间能量的传输主要是指相间传热。根据传热公式,相间换热系数和相间换热面积是决定传热速率最重要的两个参数,这两个参数的确定在两相流问题中十分困难。对于一定条件下的气(汽)—水两相流,相间换热系数已有较为精确的计算式,如Ranz-Marshall(1952)公式、Hughmark(1967)公式等,但这些公式能否在低温气液两相流中得到应用还需要进一步验证。单位体积内两相界面面积的大小(通常称为界面面积浓度)仍然是两相流研究的热点课题。通用软件中的界面面积浓度计算公式,其适用范围往往十分有限,还需要进行大量的试验和理论研究来不断补充和完善。

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4.3相间质量传输模型

低温气液两相流中的相间传质主要是指沸腾传质。目前应用的较为成功的是RPI沸腾模型。但是,该模型也存在严重不足,首先是模型具有严格的适应条件,一般仅适用于压力相对较高(P>1.0MPa)的核态沸腾;其次,该模型假设沸腾过程中气泡直径与液体过冷度呈简单的线性关系,并没有从气泡动力学的角度进行分析,因此也就不能从机理上揭示沸腾传质的本质;最后,该模型还要求研究人员给定参考液体过冷度下的平均气泡直径,而该参数在进行具体的研究之前是无法获得的,仅能依靠研究人员的经验给出。这种人为给定的平均气泡直径具有很大的不确定性,而平均气泡直径直接决定了界面面积浓度,因而对传热及传质速率的预测也有着决定性的影响。以上的这些缺陷必然限制了RPI沸腾模型的通用性,因此必须对其进行修正或者开发新的模型。目前这方面的工作正在进行中,很多研究者,如Tu[9]等根据具体的问题对该模型提出了合理的改进,使数值预测的结果更接近于实际情况。4.4解决方案

如前所述,目前的两相流计算,特别是低温气液两相流的数值计算的理论还存在许多不确定或不完善的地方,还需要进行大量的工作。在理论尚未完善的情况下,试验方法便成为研究未知现象最有力的工具。试验的目的是要建立并验证理论模型。对于低温气液两相流,前人已经进行了大量的试验研究,为建立新的模型提供了必要的基础,同时也为验证理论模型的正确性提供了可靠的依据;气(汽)—水系统下的理论公式也能够为选择、评价和建立新的模型提供有用的信息。利用前人的这些研究成果,能够帮助建立适用于低温气液两相流分析的双流体模型,为实现CFD技术在这一领域中的应用提供必要的理论基础。

还必须指出,CFD技术采用描述过程局部特征的基本守恒方程在控制容积的基础上进行求解,整体的流动与传热传质特征是各控制容积内相应特征的综合体现。因此,了解各参数在三维空间及时间上的分布,如速度场、温度场、空泡份额、界面面积浓度、气泡尺寸分布等,对于建立相应的相间传输模型,进而实现对低温气液两相流过程及设备的准确预测具有十分重要的意义。但是,由于两方面的原因,以往的低温气液两相流试验研究大多倾向于测量一些宏观参数,很少有研究者进行局部测量。首先,工程上感兴趣的常常是一些综合参数,如平均换热系数、压力损失等,而对流动的内部结构并不关心;其次,测量手段的不足也限制了相关的局部测量研究。鉴于此,有必要开发相应的局部测量方法及仪器,采用试验方法对流动及传热进行局部测量和精细描述,为建立和验证相间传输模型提供试验依据。在气(汽)—水两相流系统中,已有研究者开始进行这方面的工作,如Lee[10]等采用双导探针测量了汽—水两相流中的局部空泡份额及两相速度;Ishii[11]等开发了小型二传感器及四传感器探针测量了汽—水两相流中的界面面积,并根据测量结果建立了界面面积传输方程,为沸腾汽—水两相流的准确预测起到了很大的推动作用。但是,目前还没有研究者采用这种方法进行低温气液两相流的试验研究,今后应加强这方面的工作。

5　结语

国民经济和高新技术的不断发展对低温气液两相流系统的研究和开发工作提出了更高的要求。传统的试验研究方法由于具有投资大、周期长等诸多难以克服的缺点,已不能满足各行业不断增长的要求,因此,寻找经济高效的研究手段就显得尤其重要。作为目前最先进的数字化工程研究与设计方法,CFD技术有望为低温气液两相流系统的研究和开发找到新的突破口。将CFD技术应用于低温气液两相流动系统的研究和开发,可以部分甚至全部取代试验研究,实现设计分析一体化,进而大大缩短开发周期,节约研究成本。但遗憾的是,由于理论上的不完善,特别是双流体模型中各相间传输模型的不完善,限制了CFD技术在这一领域中的应用。找出问题的根源,可以有针对性地展开工作。一方面借鉴前人的研究成果完善和补充相关的理论模型,另一方面开发必要的局部测量方法及仪器,进行试验研究,并利用CFD通用软件强大的数值处理能力,可望最终实现低温气液两相流系统的研究和开发从试验手段向数字化手段的转变。

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参　考　文　献

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CFDApplicationsinCryogenicTwo-phaseFlows

LiXiangdong,WangRongshun,GuAnzong

(InstituteofRefrigerationandCryogenics,ShanghaiJiaotongUniversity,200030)

Abstract:TheadvantagesofCFDtechnologyovertraditionallyexperimentalmethodsanditsstate-of-artwereintroduced.Also,thefeasibilityofCFDinstudiesofcryogenictwo-phaseflowswasdiscussed.Atlast,ananalysiswascarriedouttofindoutthehindrancethatlimitstheapplicationsofCFDintheresearchesanddesignsofcryogenictwo-phaseflowsystems,andasolutionschemewasproposed.

Keywords:CFD,Cryogenictwo-phaseflows,Numericalprediction,Feasibility,Solutionscheme

作者简介:李祥东,男,博士研究生。主要从事低温气液两相流以及CFD模拟与优化方面的研究。

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