基于OpenFOAM的高温熔融锡液水力碎化数值模拟研究.pdf
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1、International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学流体动力学,2023,11(2),45-56 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ijfd https:/doi.org/10.12677/ijfd.2023.112005 文章引用文章引用:纪国剑,单梦琪,孟兴成,王政伟.基于 OpenFOAM 的高温熔融锡液水力碎化数值模拟研究J.流体动力学,2023,11(2):45-56.DOI:10.12677/ijfd.2023.112005 基于基于OpenFOA
2、M的高温熔融锡液水力碎化数值的高温熔融锡液水力碎化数值模拟研究模拟研究 纪国剑纪国剑1,2*,单梦琪单梦琪1,孟兴成,孟兴成1,王政伟,王政伟1 1常州大学能源学院,江苏 常州 2江苏省绿色过程装备重点实验室,江苏 常州 收稿日期:2023年3月21日;录用日期:2023年3月28日;发布日期:2023年6月12日 摘摘 要要 为揭示高温熔融锡液与水相互作用过程中的碎化机理,基于开源软件包为揭示高温熔融锡液与水相互作用过程中的碎化机理,基于开源软件包OpenFOAM-v1806下的求解器下的求解器icoReactingMultiphaseInterFoam模拟熔融锡液入水后的水力碎化过程,分析
3、瑞利模拟熔融锡液入水后的水力碎化过程,分析瑞利泰勒不稳定性、开泰勒不稳定性、开尔文尔文亥姆霍兹不稳定性及界面剪切力对熔融锡液柱碎化过程作用过程,探究水力碎化对液柱直径及液亥姆霍兹不稳定性及界面剪切力对熔融锡液柱碎化过程作用过程,探究水力碎化对液柱直径及液柱入水初速度对碎化剧烈程度的影响。研究表明液柱碎化剧烈程度、液柱单位时间内入水深度与液柱直柱入水初速度对碎化剧烈程度的影响。研究表明液柱碎化剧烈程度、液柱单位时间内入水深度与液柱直径成反比,液柱入水后碎化剧烈程度、锡凝固速度与液柱入水时初速度成正比。径成反比,液柱入水后碎化剧烈程度、锡凝固速度与液柱入水时初速度成正比。关键词关键词 高温熔融金属
4、,水力碎化,计算流体力学,高温熔融金属,水力碎化,计算流体力学,OpenFoam模拟模拟 Numerical Simulation of Hydraulic Fragmentation of High-Temperature Molten Tin Based on OpenFOAM Guojian Ji1,2*,Mengqi Shan1,Xingcheng Meng1,Zhengwei Wang1 1School of Energy,Changzhou University,Changzhou Jiangsu 2Jiangsu Key Laboratory of Green Process E
5、quipment,Changzhou University,Changzhou Jiangsu Received:Mar.21st,2023;accepted:Mar.28th,2023;published:Jun.12th,2023 Abstract In order to reveal the mechanism of fragmentation during the interaction between high-temperature *第一作者。纪国剑 等 DOI:10.12677/ijfd.2023.112005 46 流体动力学 molten tin and water,the
6、 icoReactingMultiphaseInterFoam solver within OpenFOAM-v1806 was used to simulate the hydraulic fragmentation process of molten tin entering water.The effects of Rayleigh-Taylor instability,Kelvin-Helmholtz instability and interfacial shear force on the frag-mentation process of molten tin were anal
7、yzed.And the sensitivity of the degree of fragmentation to the diameter of the liquid column and the initial velocity of the liquid column entering the wa-ter was explored.Research shows that the degree of fragmentation of the liquid column and un-derwater penetration in unit time are inversely prop
8、ortional to the diameter of the liquid column.Meanwhile,the degree of fragmentation and the formation rate of solid tin are proportional to the initial speed of the liquid column entering water.Keywords High-Temperature Molten Metal,Hydraulic Fragmentation,Computational Fluid Dynamics,Numerical Simu
9、lation Based on OpenFOAM Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 在工业生产中水作为最常见的冷却剂,与高温熔融金属接触反应过程中常伴随剧烈的传热传质过程、熔融金属碎化过程以及多种形式的能量转化过程。在高温熔融金属遇水碎化过程数值
10、模拟研究中,周源 1认为水力学碎化过程发生在压力峰值的两端。袁明豪 2基于熔融液滴水力碎化模拟研究发现液滴变形与液滴表面的水力不稳定性是液滴碎化的主要机理。杨志 3利用 MPS 数值模拟程序将熔滴碎化区域分为凝固变形区、破碎快速增长区、破碎缓慢增长区,碎化程度随温度及 Weber 数的增长呈先增后减的趋势。钟明君 4根据 METRIC 程序对熔融物水力学碎化行为及其界面特性进行数值计算,研究表明在高 Weber数下液柱碎化主要受侧面不稳定波和剥离效应主导。沈正祥等 5采用有限体积法与水平集(Level-set)方法捕捉低速射流碎化分解过程中到界面的不稳定发展、变形、流场内部速度场及压力场分布等
11、;研究获悉当入射速度较低时,流场内轴向速度随入射深度增加而变大,射流表面碎化范围内径向速度变化比较剧烈,对应的压力场为负压,射流的碎化长度与雷诺数(Re/We0.5)呈指数型关系。为揭示熔融金属与水相互作用机理,前人多利用计算流体动力学相关软件,如 ANSYS CFD、ANSYS CFX、MPS、MC3D 等来进行数值模拟研究。其中,OpenFOAM 软件运用较少,但其作为一种开源软件,可编译多种符合实际应用的求解器,用于计算分析不可压缩或可压缩流体的相变换热过程、燃烧过程、浮力驱动过程、固体应力分析等。本研究选取金属锡为研究材料,基于开源软件包 OpenFOAM-v1806下的 icoRea
12、ctingMultiphaseInterFoam 求解器模拟熔融锡液柱入水后的水力碎化过程,分析瑞利泰勒(Rayleigh-Taylor,R-T)不稳定性、开尔文亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz,K-H)不稳定性及界面剪切力对熔融锡液柱碎化过程作用结果,探究水力碎化对液柱直径及液柱入水初速度对碎化剧烈程度的影响。2.数值模拟数值模拟方法方法 2.1.VOF 模型模型 VOF 模型对计算域内不互溶的多种流体求解同一动量方程,网格单元内各流体的体积分数由和为 1的条件来约束。i为 0 或 1 时,分别表示网格内无该流体或均为该流体,介于之间则表示存在其他流Open AccessOpen
13、Access纪国剑 等 DOI:10.12677/ijfd.2023.112005 47 流体动力学 体。11jii=(1)因多相流系统内存在相变,以液相向汽相运输为例,相体积运输方程如下:()111liqliqliqliqliqvapmt+=u (2)密度、粘度、比热容等相关物理量与网格内介质的体积分数相关,物性表达公式如下:1jiii=(3)1jiii=(4)1jiii=(5)1jpipiiCC=(6)式中,为体积分数;t 为时间,s;u 为流体矢量流速,m/s;为密度,kg/m3;为动力粘度,kg/(ms);为导热系数,W/(mK);Cp为定压比热容,J/(kgK);j 为计算域内的相数
14、;i 为计算域内每一相对应的标号;下标 liq、vap 分别指液相、汽相。在 setFieldsDict 中定义初始相域,所有单元均需被定义且同一域中组分不可叠加,要求满足下式:11jiiY=(7)式中,Y 为组分分数。连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体应用,使用前提是将流体看作连续介质,应用连续介质模型,认为速度和密度均为空间坐标和时间的连续可微函数 6。其中,不可压流体的连续性方程为:()0t+=u (8)Navier-Stokes 方程是牛顿第二定律的运用,核心是动量守恒。因此,Navier-Stokes 方程最基本的假设是把流体看作连续介质,从宏观方位分析时,可以忽略流体的随机
15、分子运动,以描述流体的多个宏观物理量 7。结合连续性方程,考虑重力、表面张力两种体积力的守恒型不可压缩动量方程如下:()()()Tpt+=+uuuuugf (9)式中,p 为正应力,Pa;g 为重力加速度矢量,m/s2;f 为通过连续表面应力模型(Continuum Surface Force,CSF)计算所得的表面张力,N/m。由于相变过程中伴随着能量的传递,需要建立并求解能量方程。能量方程基于热力学第一定律,在OpenFOAM 的多相流求解器中,不可压缩流体的能量守恒方程表达形式如下:()ppTmLTTtCC+=u (10)纪国剑 等 DOI:10.12677/ijfd.2023.1120
16、05 48 流体动力学 式中,T 为温度,K;L 为单位质量蒸汽冷凝所释放的相变潜热,J/kg;m 为单位体积蒸发率,kg/(m3s)。2.2.相变模型相变模型 求解器中编译有两种相变模型Lee 模型和 KineticGasEvaporation model 模型,可针对每一类型的相变过程引入特定相变模型。本次研究涉及金属凝固过程,选取 Lee 相变驱动模型。1)由 Lee 模型驱动的相间传质方程 当 C 0 时为熔化/蒸发过程:activateactivateactivate for TTmCTTT=(11)当 C 0 时为凝固/冷凝过程:activateactivateactivate f
17、or TTmCTTT=0 时为蒸发过程,当 C 0 时为冷凝过程。2.3.湍流模型湍流模型 在 icoReactingMultiphaseInterFoam 的 turbulenceProperties 中,可以设置用于求解的流动类型。这里有三种不同的模型以供选择,包括 laminar、LES、RAS。LES 和 RAS 是由多个子类模型组成的。其中,LES 分为“等容的 LES 湍流模型”和“各向异性的 LES 湍流模型”10。RAS 分为两类,一类是不可压缩的,一类是可压缩的。本次研究指定 RAS 中的-模型,流动方程见下式。1)湍流动能方程()()DDPDt=+(16)式中,为湍流动能,
18、m2/s2;D为湍流动能的有效扩散系数;P为湍流动能产生率,m2/s3;为湍流动能耗散率,m2/s3。2)湍流动能的耗散率方程 纪国剑 等 DOI:10.12677/ijfd.2023.112005 49 流体动力学 ()()213223CDDPCCDt=+u (17)式中,D为湍流动能耗散率的有效扩散系数;C1、C2和 C3是模型系数。3)湍流粘度方程 2vC=(18)式中,为湍流粘度,m2/s;C为湍流粘度的模型系数。4)OpenFOAM 实现 OpenFOAM 软件对上述方程做了进一步变化,以实现湍流模型在各类求解器中的调用;修正后的湍流动能方程和湍流动能的耗散率方程如下:()()()2
19、fvOptions23DGSSt+=+uu (19)()()()21132fvOptions23DCGCCCSSt+=+uu(20)式中,G 是由于雷诺应力张量的各向异性部分而产生的湍流动能产生率,m2/s3;在 turbulenceProperties字典中,模型系数值分别为 C=0.09、C1=1.44、C2=1.92、C3=0.0、=1.0、=1.3。3.建模建模 3.1.数值计算模型数值计算模型 Figure 1.Numerical model for hydraulic fragmentation of molten metal 图图 1.熔融金属水力碎化数值计算模型 为研究熔融锡液
20、柱水力碎化过程的界面行为及相关物理现象,做出以下假设:熔融锡液柱周围冷却剂不发生相变,引入熔融锡液凝固相变模型,即忽略多相流中水的蒸发冷凝效应,只考虑水力碎化作用。纪国剑 等 DOI:10.12677/ijfd.2023.112005 50 流体动力学 高温熔融锡液柱水力碎化模拟的物理模型及网格划分如图 1 所示。建立二维矩形计算域,计算域的长、宽分别为 700 mm 140 mm,进口处为 20 mm。计算模型的两侧及底部黑色边界类型定义为无滑移、零速度梯度的壁面(wall),用于约束流体及固体域;顶部两端的灰色边界定义为压力出口(pressure-outlet),当迭代期间出现回流时会收敛
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