用OpenFOAM模拟2d膜态沸腾（一）

疫情爆发，工作在家。

设置100小时，计算100小时。只为看3秒钟的几个泡，咕嘟，咕嘟，咕嘟|-_-|…..

——某不知名CFD青年工作者

Solver

OpenFOAM-v1916版本，icoReactingMultiphaseInterFoam

Solver简介

Solver for N incompressible, non-isothermal immiscible fluids with phase-change, using VOF phase-fraction based interface capturing With optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing.

参考来源：https://www.openfoam.com/documentation/guides/latest/man/icoReactingMultiphaseInterFoam.html

官方tutorial

filmBoiling_2d Case建立

Mesh的建立

Schematic diagram of problem geometry and boundary conditions$^{[1]}$.

---

其中：λ~0~ 为瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability）的波长，通过如下公式计算：

$$λ_0=2\pi\sqrt{\frac{3\sigma}{(\rho_{Liquid}-\rho_{Vapor})g}}=0.0023004~m$$

网格尺寸

需要做网格无关性检验，经检验，本2d case网格尺寸设置为：$240 \times 480$。

热物理模型参数设置

thermophysicalProperties

相关字典文件：thermophysicalProperties.gas ,thermophysicalProperties.liquid

本模拟工况为接近临界状态（Critical Pressure = 21.9 MPa, Saturation Temperature = 646 K）的水。

水的临界压力计算：https://www.engineeringtoolbox.com/water-vapor-saturation-pressure-d_599.html

临界状态（来源：百度百科）：使物质由气态变为液态的最高温度叫临界温度。每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压力，气态物质都不会液化，这个温度就是临界温度，此时的压力为对应当前温度的饱和蒸气压，也被称为临界温度。

此时的水和饱和蒸汽的物理属性如下$^{[1]}$：

文件中需要设置equationOfState状态方程，本模拟中考虑水蒸气为理想气体，指定为incompressiblePerfectGas不可压缩理想气体，密度$\rho$采用以下方程计算：

$$\rho=\frac{p_{ref}}{RT}$$

其中 $p_{ref}= 1.3e6~N/m^2$，$R=8.134~J/(mol\cdot Kg)$

$P_{r}$为普朗特数（不是特朗普，笑），计算：

$$P_r=\frac{\mu \cdot C_p}{\kappa}$$

参考：http://www.thermopedia.com/content/1053/

phaseProperties

massTransferModel选用Lee模型，相变温度为646 K。为保证计算精度，coefficient of mass transfer传质系数设置为1e6$^{[2]}$.

初始化与初始条件

使用swak4Foam插件中的funkySetFields -time 0命令进行初始化。

初始化的liquid-gas界面定义如下：

$$y=\frac{\lambda_0}{128}(4.0+ \cos\frac{2 \pi x}{\lambda_0})$$

初始化的结果：

初始温度为646K，底部加热面温度为656K。

模拟结果

采用8线程并行计算，执行：

mpirun -np 8 icoReactingMultiphaseInterFoam -parallel > log &

结果：

讨论与分析

待完成

---

参考文献

[1] Phase Change Heat Transfer Simulation for Boiling Bubbles Arising from a Vapor Film by the VOSET Method : https://www.tandfonline.xilesou.top/doi/abs/10.1080/10407782.2011.561079

[2] Lee 相变传质方程中传质系数取值的分析 : http://hit.alljournals.cn/hitxb_cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20141203&year_id=2014&quarter_id=12&falg=1

[3] A numerical investigation of the effect of surface wettability on the boiling curve ：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0187175

---