Noumenon Multiphysics的嘉宾博客博客Mandar Gadgil讨论了Thermosiphon中的建模相变。
自1800年代以来,热刺就一直用于保持房屋温暖。这些设备使用中央加热器和管道网络,将水和蒸汽带到不同的房间。凉爽的部分(形象上)是流体传输不需要泵 - 安装底部的加热器引起的对流电流就足够了。让我们讨论使用具有温度依赖性特性的“伪流体”建模。
是什么使热刺是有效的传热选择?
从最初的大规模加热中应用,热门人类已在依赖于小空间中有效传热的各种行业中使用。如今,在广泛的应用中发现了热刺:从太阳能电池板阵列中收集热量,加热水和食物,冷却IC发动机,甚至是冷却电子IC。
热节像的一个例子。Gilabrand的图像在英语Wikipedia上。获得许可CC BY-SA 3.0, 通过Wikimedia Commons。
热门人士可以非常有效的原因之一是它们可以在运输液的相变温度附近运行。这意味着流体在从A点到B点携带热量时,不仅会使用该热量来升高温度,还可以将其相位从液体变为蒸气。
热门节像中的相位变化可以是一个重要优势的原因有两个。首先,相位变化比温度升高的密度更大。流体运输将在这里更容易设置。
同样,热节液通常需要尽可能多的热量来改变相位,以使温度提高数百度(摄氏度)。例如,水具有2264.7 kJ/kg的特异性潜热,而水的比热为4.186 kJ/kgk。这意味着,在变为蒸汽的同时,水吸收的热量是将温度升高1°C所需的541倍。这意味着,如果流体变化相位而不是快速加热,可以在特定温度下从源中吸收更多的热量。
建模相变流:常见的速度颠簸
从一个身体到另一个身体的热传递与它们之间的温度差成正比。在较大的传热期间保持在一定温度的流体将具有更长的时间保持相同温度差的优势。这意味着传热速率将保持更长的时间,而不是随着热源和流体减少的温度差而降低。但是,这种效率的来源可以使模型化热态成为挑战。
建模涉及相变的流程可能是计算要求的。通常的相位变化流体流模型涉及:
- 两个独立的域(一种液体,一个蒸气)
- 两个域之间的“接口跟踪”方法,需要在两个域上移动网格
另一个缺点是,该方法不允许在两个域之间的接口进行拓扑变化。例如,不允许创建或合并蒸气气泡。
由于域之间的界面是表面,因此不会对“泥泞”,部分液体 - 部分蒸气过渡情况进行建模。用这种方法对热节进行建模将产生一个近似值,该近似值在液体和蒸气之间具有单个边界,随着流体的经历,该近似值移动。
一种新的方法来建模相变的相位伪流体
建模这种流体流量问题的一种不同的方法涉及使用我们所谓的单个域伪流体。该伪流体是一种材料,其特性定义为温度的函数。从液体的特性变为蒸气的特性,在一个称为的小区域上相变窗口。在下面的图中,我们看到了如何定义跨相密度函数以指示状态从液体到蒸气的过渡。
注意:在相变材料传热模块中的节点。尽管同时也可以使用此节点与非等热流多物理耦合选项,伪流体方法可以灵活地定义相变函数。伪流体材料基于两个参数:温度和压力模型。蒸汽密度的压力依赖性变化的准确建模对于确保质量保护至关重要。使用流体流量和传热方程单相,,,,层流, 和流体中的传热物理节点在ComsolMultiphysics®软件中可用。188金宝搏优惠这两个节点共同求解了质量,动量和能量的保护方程。
这种建模方法可实现阶段之间明显的拓扑变化,因为没有任何领域边界可应对。这克服了接口跟踪方法的主要近似值之一。现在,我们的解决方案可能会有大量的流体过渡到另一个相,这与我们每天对流体沸腾的液体的观察一致。
伪流体方法中固有的两个近似值。它不考虑表面张力;因此,即使处理了拓扑变化,但仍遗漏了沸腾过程中气泡形成的重要因素。同样,相变是在少量温度而不是特定值的范围内发生的。该范围越小,相变现象越准确。理想情况下,我们将选择一个很好地代表中间泥泞阶段的范围。但是,较小的范围会在解决方案的收敛性方面造成更多困难。
使用热速段模型验证假流体方法
伪流体方法成功地建立对流电流并代表流体的相变过程。在下面的视频中,我们看到了一个简单的垂直容器,并通过这种方法进行了加热,并使用这种方法进行建模。最初,容器的顶部充满了蒸气,而底部含有液体。容器从其底部表面加热,我们可以看到逐渐变化的相变,以将整个内容转换为蒸气。
下图显示了流体的不同阶段(由它们的密度表示)以及代表热瓶的倾斜管中对流电流的局部速度的形成。
比较热速句的伪流体模型与实验数据的定量性能 - 包括内部实验和文献(参考。1)。将稳态温度与垂直热感染不同位置参考文献的数据进行比较。将相对于时间的温度变化与倾斜热度倾斜的实验数据进行比较。
该模型似乎表现良好,性能的偏差在可接受的范围内。
优化热节设计
我们开发并应用了这种伪流体建模技术来优化现实世界中的热门应用程序。一旦设置了流体流量模型,与接口跟踪方法相比,计算时间大大减少。这释放了计算资源,以优化热流的许多其他参数。
一个目的是最大化设备的传热速率。使用其相变温度附近的流体大大降低了一定传热速率所需的热速率的大小。
另一个重要的参数是存储在设备中的流体质量。由于流体过多,需要蒸发的热量输入将非常高。稳态输出甚至可能完全阻止流体蒸发,从而大大降低热速率的效率。没有足够的液体意味着很少的热量会蒸发它。如果从热度洪水中抽出的热量不够高,则流体仍处于稳态状态 - 再次失去了相变带来的提高效率。
在此博客文章中讨论的流体流量模型的基础上,我们还可以优化热节像的尺寸,倾斜角度以及吸热表面的设计。
伪流体建模方法可能的好处和局限性
相对容易想象,将假氟化物建模技术应用于有关凝胶和自由流动液体之间过渡的流体问题。一个值得询问的问题:改进的伪流体模型可以实际用作通用力学模型吗?换句话说,该模型是否可以包括整个相位,从岩石等脆性固体到自由流动的蒸气?
建模伪流体和相变材料特性可以帮助统一不同的物理模型。很好地处理这些过渡的数学模型甚至可以改变我们对“阶段”的看法。传统阶段很可能最终被认为是在材料状态的连续光谱上的近似描述。尽管要准确描述这些阶段变化的数学尚未完全完善,但我们在Noumenon Multiphysics可能很快就会有一些发展!
请注意,除了前面提到的这种方法的两个近似值外,还有其他一些局限性。在这种情况下,该模型虽然能够预测湍流,但在这种情况下可能会变得昂贵。(对于湍流的空间分辨率,需要在整个域中进行精炼。对于湍流的时间分辨率,获得融合溶液的时间步长将需要较小的时间步骤。因此,网格元素的数量和计算时间都会增加。另一方面,尽管使用湍流模型以及该伪流体材料模型也是可能的,但它为模型增加了额外的方程式。)就热门人而言,这种限制似乎是可以接受的,因为无论如何,湍流的热速度无论如何都会极大地效率。但是,值得注意的是,可以将不同的湍流模型添加到不同应用的流体流量模型中。
伪流体模型的准确性在很大程度上取决于在不同温度和压力条件下涉及的流体可用数据的质量。最重要的是,需要准确地知道压力变化的密度变化,以创建有用的伪流体材料模型。对于水和蒸汽来说,这相对容易,但是为其他流体收集类似的数据可能是一项更艰巨的任务。
关于作者
Mandar Gadgil是Noumenon多物理学。在Noumenon Multiphysics,Mandar在解决工程行业的建模和仿真中,在解决许多具有挑战性的问题方面发挥了重要作用。他曾在多相,多种种类流体流量模型,用于生物医学应用的电流模型,电磁,流体结构相互作用,电池建模等等。曼达(Mandar)已完成了他的技术硕士学位(M.Tech。),并在印度国防高级技术国防部的应用数学系进行了建模和模拟。
参考
- F. Bandar,L.C。Wrobel和H. Jouhara,“两相封闭热诗中温度分布的数值建模”,”应用的热工程,2013年。
评论(12)
特雷弗·蒙罗(Trevor Munroe)
2018年3月12日这种方法可以应用于蒸汽水排出器吗?
曼达·加德吉尔
2018年3月14日亲爱的特雷弗,
是的,该方法可用于对蒸汽水排出器进行建模。
已经开发了这种方法来有效地对任何相变过程进行建模。根据实际过程详细信息可能需要一些修改。
谢谢,
普通话
Priyanshu Goyal
2018年3月14日您可以分享模型吗?
Sai Phani Kiran Hota
2018年3月16日图书馆中可用的模型是否可用于查看和了解所使用的物理和方程式设置的类型?
曼达·加德吉尔
2018年3月19日亲爱的Priyanshu,
我们很乐意帮助您将技术应用于您的特定问题。
请分享您的电子邮件地址,或者请在info@noumenonmp.com
谢谢,
普通话
穆罕默德·亚辛(Mohamed Yassin)
2020年5月5日你能分享模型吗?
我的电子邮箱:-
mohamed.yassin37@yahoo.com
曼达·加德吉尔
2018年3月19日亲爱的赛,
我们很乐意帮助您将技术应用于您的特定问题。
请分享您的电子邮件地址,或者请在info@noumenonmp.com
谢谢,
普通话
立王
2018年11月1日您好,我正在对气体相变的两相模拟。至于相变问题,我不知道如何使用comsol进行模拟。188金宝搏优惠至于你的博客,我不太了解。你能给我一些帮助
温·温
2020年12月1日你好,
我想使用comsol对热管进188金宝搏优惠行建模,然后从您的comsol博客“模型中的模型相变”中查看,我对您的相变模型非常感兴趣,它也可以用于热管建模。
您可以在此博客中分享模型吗?这将是感谢的。
非常感谢。
此致。
温
Recudaman Singh Sandhu
2021年3月31日尊敬的先生
我有兴趣建模封闭的热载体中伪流体的蒸发和凝结。您可以在我的电子邮件地址中分享此模型吗?我的E-mail地址是repu.sandhu@gmail.com。
问候
Jiaxi Liao
2021年8月17日亲爱的特雷弗,
伪流体方法是模拟阶段变更的一种特殊方法。您可以分享模型吗?我的电子邮件:lvah@qq.com。谢谢。
Yiya Liao
2021年9月1日亲爱的曼达·加德吉尔,
我现在正在建模冷凝器中制冷剂的相变,但我遇到了有关材料建设和能量平衡的大问题。因此,我对您的模型非常感兴趣。您能分享这个模型吗?我的E-mail地址是40470002H@gapps.ntnu.edu.tw谢谢你。