一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法，包括以下步骤：1)对于蒸汽冷凝喷射，建立混合物模型，第一相设置为水、第二相设置为水蒸气、第三相设置为空气，根据蒸汽流动特性选择湍流模型，建立流动控制方程，包括能量守恒方程、动量方程、质量方程；2)将液态水的密度设置为常数，水蒸气和空气视为理想气体；假设相界面温度和气体温度都等于当地的饱和温度，建立基于Coste的热平衡相变模型；3)采用进口和出口处的压力上下限函数作为边界条件；4)采用基于压力求解饱和温度的求解函数来求解模型。本发明专利技术提出了一种改进的Coste模型，使之可以适用于含不凝结气体的相变模型。体的相变模型。体的相变模型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法


[0001]本专利技术涉及多相流仿真技术，尤其涉及一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法。

技术介绍

[0002]蒸汽直接射流接触冷凝(DCC)是指过热或者饱和蒸汽与过冷水直接接触时发生的冷凝过程，该过程具有更高的传热和传质速率的特点。蒸汽直接射流冷凝广泛地应用于能源动力领域，比如蒸汽引射器、抑压安全系统、直接接触式换热器和安全泄压系统等。蒸汽直接射流接触冷凝是一个多相多尺度问题，涉及高速运动、强传热传质，因此流场中一些重要参数如蒸汽体积分数和局部传热系数难以测量。国内外有关蒸汽直接射流接触冷凝现象的研究分为实验研究和数值模拟两方面。在实验研究方面，人们采用光学拍照和接触测量的方法，获得蒸汽射流冷凝流型图、气羽长度、界面平均换热系数以及流场和温度场等性能参数。根据工况的不同，DCC过程的流型可以概括为喘振区、过渡区、冷凝振荡区、气泡冷凝区、稳定冷凝区和界面不稳定冷凝区六种。在数值模拟方面，一些学者通过分析气液界面的传递特性，给出了一些气液交界面处的传热传质模型，但是这些模型在结果预测的准确度上还存在一些缺陷。
[0003]对于纯蒸汽的凝结，因为稳定蒸汽射流的凝结现象相当剧烈，Ansys自带软件的凝结模型并不适合模拟剧烈的凝结现象。当蒸汽中存在不凝性气体时，情况将变得更加复杂。为此，本专利技术基于湍流强度的相变模型(Coste相变模型)，对Coste相变模型进行了改进使之可以处理不凝性气体的相变问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法，包括以下步骤：
[0006]1)对于蒸汽冷凝喷射，建立混合物模型，第一相设置为水、第二相设置为水蒸气、第三相设置为空气，根据蒸汽流动特性选择湍流模型，建立流动控制方程，包括能量守恒方程、动量方程、质量方程；
[0007]2)将液态水的密度设置为常数，水蒸气和空气视为理想气体。假设相界面温度和气体温度都等于当地的饱和温度，建立基于Coste的热平衡相变模型；
[0008]相变模型如下：
[0009][0010]Π1＝a
i
h
wa
(T
sat
‑
T
f
)
[0011][0012][0013][0014][0015][0016][0017]其中，w,a和s分别表示水、空气和蒸汽，将水和空气处理为混合相；Nu，Re和Pr分别为无量纲努塞尔数、湍流雷诺数和普朗特数；k为热导率；h为对流换热系数；a
i
为气液两相界面面积密度,；Π1为单位体积液相换热量；Π2为单位体积气相换热量；α为相含率，α
s
为蒸汽相含率，α
a
为空气相含率；P
s
为水蒸气分压；H为焓值，H1为液相焓值，H2为气相焓值；T
sat
和T
f
分别为相界面温度和液体的温度，V
T
和L
T
为湍流速度和长度尺寸；ν
wa
为液相运动粘度；
[0018]3)采用进口和出口处的压力上下限函数作为边界条件；
[0019]4)采用基于压力求解饱和温度的求解函数来求解模型。
[0020]按上述方案，所述步骤4)求解模型具体过程如下：
[0021]4.1)根据网格内各组分的相含率，判断每个网格单元内的组分的占比，并根据组分分压定律计算各组分蒸汽分压，求出各组分蒸汽分压后引用压力上下限函数消除异常压力的影响，并计算出各网格单元处饱和温度；
[0022]4.2)根据网格内各组分的密度、粘度、比热和导热率计算单元内混合相的密度、粘度、比热和热导率，求出各相的普朗特数；
[0023]4.3)根据蒸汽相雷诺数和努塞尔数的数值，计算对流换热系数h_coeff1；根据计算出的对流换热系数大小和在网格单元内的界面面积密度占比计算出蒸汽的传热值Q1；
[0024]4.4)根据相变模型中的湍流速度和湍流长度计算公式计算液相的湍流速度和液相湍流长度尺度；并根据努塞尔数和雷诺数计算公式计算液相湍流雷诺数和液相努塞尔数；基于液相努塞尔数计算液相对流换热系数h_coeff2；根据单元内液相的界面面积密度占比计算液相的传热值Q2；
[0025]4.5)比较蒸汽侧的传热量和液相的传热量，以最大传热量为界面传热量，基于此计算相变速率m_lg。
[0026]本专利技术产生的有益效果是：
[0027]本专利技术考虑不凝结气体在蒸汽凝结的影响，提出了一种改进的Coste模型，使之可以适用于含不凝结气体的相变模型，实现了含不可凝气体的蒸汽直接射流接触冷凝换热的有效的数值预测。
附图说明
[0028]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0029]图1是本专利技术实施例的方法流程图；
[0030]图2是本专利技术实施例的网格划分示意图；
[0031]图3是本专利技术实施例的模型求解过程示意图；
[0032]图4是本专利技术实施例的模型计算气含率云图。
具体实施方式
[0033]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0034]如图1所示，一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法，包括以下步骤：
[0035]1)对于蒸汽冷凝喷射，建立混合物模型，第一相设置为水、第二相设置为水蒸气、第三相设置为空气，根据蒸汽流动特性选择湍流模型，建立流动控制方程，包括能量守恒方程、动量方程、质量方程；
[0036]2)将液态水的密度设置为常数，水蒸气和空气视为理想气体。假设相界面温度和气体温度都等于当地的饱和温度，建立基于Coste的热平衡相变模型；
[0037]相变模型如下：
[0038][0039]Π1＝a
i
h
wa
(T
sat
‑
T
f
)
[0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046]其中，w,a和s分别表示水、空气和蒸汽，将水和空气处理为混合相；Nu，Re和Pr分别为无量纲努塞尔数、湍流雷诺数和普朗特数；k为热导率；h为对流换热系数；a
i
为气液两相界面面积密度,；Π1为单位体积液相换热量；Π2为单位体积气相换热量；α为相含率，α
s
为蒸汽相含率，α
a
为空气相含率；P
s
为水蒸气分压；H为焓值，H1为液相焓值，H2为气相焓值；T<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Coste热平衡相变模型的蒸汽射流冷凝模拟预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对于蒸汽冷凝喷射，建立混合物模型，第一相设置为水、第二相设置为水蒸气、第三相设置为空气，根据蒸汽流动特性选择湍流模型，建立流动控制方程，包括能量守恒方程、动量方程、质量方程；2)将液态水的密度设置为常数，水蒸气和空气视为理想气体，假设相界面温度和气体温度都等于当地的饱和温度，建立基于Coste的热平衡相变模型；相变模型如下：Π1＝a
i
h
wa
(T
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‑
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f
))))))其中，w,a和s分别表示水、空气和蒸汽，将水和空气处理为混合相；Nu，Re和Pr分别为无量纲努塞尔数、湍流雷诺数和普朗特数；k为热导率；h为对流换热系数；a
i
为气液两相界面面积密度,；Π1为单位体积液相换热量；Π2为单位体积气相换热量；α为相含率，α
s
为蒸汽相含率，α
a
为空气相含率；P
s
为水蒸气分压；H为焓值，H1为液相焓值，H2为气相焓值；T
sat
和T
f
分别为相界面温度和液体的温度，V
T
和L
T
为湍流速度和长度尺寸；ν
wa
...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪广怀，王畅，刘辰，王冰，陈家铭，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：