Fluent算例6：使用UDF定义沸腾与冷凝相变

fluent算例6 使用UDF定义沸腾与冷凝写在开头问题描述分析1. general2. 边界 条件3. 物理模型4. 材料5.UDF6. methods7. 初始化8.动画

fluent算例6 使用UDF定义沸腾与冷凝

写在开头

最近的 学习 过程中有一点感受，想要分享一下，不知道各位CFDer有没有同感。在很多专业知识上，比如UDF或者某一种算例的关键点，在中文的文献中总是一笔带过，不是不小心带过，而是故意不外露，目前对于UDF的入门，永远都是那两个例子，十几来年了，很少有人会愿意把自己学到的知识真正的分享出来，总是将不好做有困难的那部分藏着掖着，如果大家都可以分享出来应该进步更快吧，对国家的发展或许也是一种帮助，也或许因为自己在寻找解决方法的路漫漫，所以当自己解决以后也不愿意无偿或者有偿分享了。

问题描述

本次算例参考胡坤老师，在其内容之上略有补充。演示源项法 模拟 水沸腾，在早期版本的Fluent中没有现成的蒸发冷凝模型，需要借助UDF指定质量源与能量源来模拟沸腾现象。在较新的Fluent版本中已经内置了蒸发冷凝模型，本算例中的UDF等同于Fluent中内置的Lee模型。本案例的UDF也可以经过修改用于更复杂的沸腾现象模拟。

分析

1. general

• 瞬态计算
• 考虑重力
• 压力求解器

2. 边界条件

在流体域中的液态水，初始温度是372 K，也就是99 ℃，水的沸点是100 ℃，因此想要模拟水的沸腾，需要有热源的输入，才可以使得水达到沸点。而将初始温度设置为99摄氏度也是因为我们不关注水的升温过程，而更关心其沸腾。

• 底部热源：温度壁面（573 K）
• 两侧壁面及底部除热源之外的部分：绝热壁面（fluent默认的壁面条件，无需修改）
• 出口：压力出口边界，常压即可

3. 物理模型

• 涉及多相流，使用mixture模型，因此需要双精度启动fluent 考虑重力，所以勾选implicit body force 主相是液态水 第二相是气态水，直径0.2mm
• 涉及温度相关，开启能量方程
• 速度不大，层流模型

4. 材料

• 装满液态水的容器中水的沸腾只会设计到液态水和气态水两种物质
• 从fluent材料库中直接复制water-liquid和water-vapour即可
• 本次沸腾的传质传热使用UDF，两种材料的标准生成焓都改为0即可

5.UDF

#include "udf.h"
#include "sg_mphase.h"
#define T_SAT 373.15   //饱和温度373.15 K
#define LAT_HT 1.e3 //汽化潜热1000 J/kg
 
// 液相质量源项
DEFINE_SOURCE(liq_src, cell, pri_th, dS, eqn)
{
  Thread *mix_th, *sec_th;
  real m_dot_l;
 
  // mix_th存储主相的Thread指针；sec_th存储次相指针，注意ID
  mix_th = THREAD_SUPER_THREAD(pri_th);
  sec_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 1);
 
  // 温度大于饱和温度，表示为蒸发
  if (C_T(cell, mix_th) >= T_SAT)
  {
    //计算蒸发量，注意液相质量流量为负值，0.1为coeff值
    m_dot_l = -0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) *
              fabs(C_T(cell, pri_th) - T_SAT) / T_SAT;
    //对体积分数求导
    dS[eqn] = -0.1 * C_R(cell, pri_th) *
              fabs(C_T(cell, pri_th) - T_SAT) / T_SAT;
  }
  else
  {
    //计算冷凝量，液相质量分数为正值
    m_dot_l = 0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) *
              fabs(T_SAT - C_T(cell, mix_th)) / T_SAT;
    //若对体积分数求导得到的值为正，干脆直接赋零值
    dS[eqn] = 0.;
  } 
  return m_dot_l;
}
 
// 气相质量源项，解释同上
DEFINE_SOURCE(vap_src, cell, sec_th, dS, eqn)
{
  Thread *mix_th, *pri_th;
  real m_dot_v;
 
  mix_th = THREAD_SUPER_THREAD(sec_th);
  pri_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 0);
 
  if (C_T(cell, mix_th) >= T_SAT)
  {
    m_dot_v = 0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) *
              fabs(C_T(cell, mix_th) - T_SAT) / T_SAT;
    dS[eqn] = 0.;
  }
  else
  {
    m_dot_v = -0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) *
              fabs(T_SAT - C_T(cell, mix_th)) / T_SAT;
 
    dS[eqn] = -0.1 * C_R(cell, sec_th) *
              fabs(C_T(cell, sec_th) - T_SAT) / T_SAT;
  }
 
  return m_dot_v;
}
 
//混合相的能量源项
DEFINE_SOURCE(enrg_src, cell, mix_th, dS, eqn)
{
  Thread *pri_th, *sec_th;
  real m_dot;
  pri_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 0);
  sec_th = THREAD_SUB_THREAD(mix_th, 1);
 
  if (C_T(cell, mix_th) >= T_SAT)
  {
    // 得到蒸发量，Lee模型
    m_dot = -0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) *
            fabs(C_T(cell, pri_th) - T_SAT) / T_SAT;
 
    //对温度求导，若为负则保留，否则赋值零
    dS[eqn] = -0.1 * C_VOF(cell, pri_th) * C_R(cell, pri_th) / T_SAT;
  }
  else
  {
    //得到冷凝量
    m_dot = 0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) *
            fabs(T_SAT - C_T(cell, mix_th)) / T_SAT;
 
    dS[eqn] = -0.1 * C_VOF(cell, sec_th) * C_R(cell, sec_th) / T_SAT;
  }
    
  // 返回热量值，利用潜热与质量流量的乘积得到
  return LAT_HT * m_dot;
}

• UDF这块我也不是很深理解，大概在其中都有解释
• 直接将以上内容其复制，使用记事本粘贴，然后将记事本的后缀.txt修改为.c，User Defined Functions-interpreted-点击到刚刚创建的.c文件-interpret即可。
• 在cell zone conditions中分别双击phase-1（液态水）、phase-2（气态水）、fluid（混合相），都勾选上源项source term，在其中点击mass或者energy后的edit-将0改为1-下拉找到对应的源项（液态水对应-liq::src、气态水对应vapour::src、混合相对应energy::src）-保存即可

6. methods

• 我使用的默认，和胡老师不太一样

7. 初始化

• 标准初始化
• 将初始温度设置为372K
• 由于沸腾温度为373.15 K，所以可以给温度边界上一层网格patch一个温度
• 需要使用cell-register将温度壁面上的一层网格进行标记：cell register-new-boundry-选择底部的边界

8.动画

对于瞬态计算可以保存动画，对于本次算例，我们关心的是相的变化

• 首选新建一个contours，设置成我们关心的样子，选择pahse-选择气相-save
• solution-activities-create-solution animations-定义动画名-定义迭代多少步保存一个-保存类型可以选择jpeg-定义保存路径-选择要观察的面（contour提前定义好）-ok；计算结束后，animations-playback即可观看-write即可保存动画

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