本文演示利用Fluent中的VOF及蒸发冷凝模型进行热管仿真的基本流程。

注：本文中仿真使用的所有数据均来自下面的论文，本文只为复现论文中的结果。

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1] Fadhl B ,  Wrobel L C ,  Jouhara H . CFD modelling of a two-phase closed thermosyphon charged with R134a and R404a[J]. Applied Thermal Engineering, 2015.

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1 问题描述

热管几何模型如图所示。

管道总长度500 mm，管壁材料介质为铜，厚度0.9 mm。管道蒸发段与冷凝段长度均为200 mm，中间100 mm长度段为绝热。管道外径22 mm，内径20.2 mm。加热段采用均匀热流，冷凝段指定对流换热系数。初始状态下蒸发段充满液相。

采用基础网格尺寸0.5 mm，厚度区域8个节点，流体区域径向100个网格节点，采用指数率1.2，局部网格如下图所示。共生成116992个四边形网格单元。

注：这里事实上有坑。文中的热管事实上是一个管状结构，不应使用平面模型进行计算。最不济也应该使用轴对称模型进行计算。热管仿真按道理应当使用三维模型进行计算，因为蒸发段产生的气泡在管内的运动轨迹是三维的。论文中边界条件的计算也是存在很大问题的。

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2 Fluent设置

2.1 General设置

• 采用瞬态计算
• 考虑重力影响，指定重力加速度为Y方向-9.81 m/s2

2.2 Models设置

• 激活能量方程

• 采用层流计算

2.3 材料介质

案例所采用的介质为R134a。除液相密度与表面张力系数外，其他所有参数通过NIST REFPROP程序在温度298.15 K条件下计算得到，并假定这些物性参数为定值。

液相密度定义为与温度相关，其表达式为：

表面张力系数定义为温度的函数，其表达式为：

式中T为温度，K。

气相材料参数如表所示。

液相材料参数如下表所示。

• 修改材料介质air

• 修改材料名称，指定材料密度为polynomial

• 指定密度与温度之间的函数关系，如下图所示

• 修改其他材料介质参数

• 拷贝材料介质

• 修改材料参数，如下图所示

• 添加固体材料介质copper

2.4 多相流模型设置

• 激活多相流模型，使用VOF模型进行模拟

注：文献中使用的是VOF模型及Lee模型（论文中使用的Fluent 14.5版本中没有Lee模型，作者文中介绍说使用的是UDF模拟蒸发冷凝，论文中给出的蒸发冷凝理论模型事实上就是后来Fluent版本中内置的Lee模型），事实上热管仿真更适合使用Eulerian模型中的热相变模型。

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• 指定主相为蒸汽相

• 指定次相为液相

• 考虑并激活表面张力模型，指定表面张力系数为polynomial

• 指定表面张力系数随温度的函数关系

• 指定蒸发冷凝模型，选择使用Lee模型，并指定饱和温度

注：饱和温度对于蒸发冷凝计算来讲是一个至关重要的参数，然而论文中没有直接写出来，而是说在UDF中使用了此参数，作者太不负责任了。此参数没有明确的值，导致整篇论文无法复现。这里给的饱和温度是从论文中的边界条件推测出的，没有任何依据。按热管的工作原理来讲，蒸发段的温度应当高于介质的饱和温度，而冷凝段的温度应当低于介质的饱和温度。因此这里瞎猜的247.08K是不对的，因为这温度比论文中提出的冷凝段的水浴温度要低，导致冷凝段的蒸气无法被冷凝。个人从论文中给出的温度云图估计作者设置的饱和温度是298.15 K，但无法确认。

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2.5 修改材料属性

• 重新打开材料介质参数，指定液相的摩尔质量与标准状态焓。这里的标准状态焓用于计算相变潜热，为了方便计算，常将液相的标准状态焓设置为0，而将气相的标准状态焓设置为相变潜热

• 设置气相的标准状态焓为蒸发潜热

注：单位换算1 kJ/mol = 1 kJ/gmol = 1000 kJ/kgmol

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2.6 计算区域设置

• 设置固体区域的材料介质为copper

2.7 指定边界条件

蒸发段采用均匀热流边界，热功率为29.58 W。冷凝段指定换热系数。

注：这里的边界条件是选取了论文中的数据，据论文所述是测试得到的试验数据。需要注意的是，由于计算采用的是平面模型，导致论文中参数的计算方式是错误的。比如下面的传热面积的计算是错误的，二维平面模型的传热面积不能用圆柱面面积来算，但为了与论文结果进行比较，这里还是采用了论文中的数据。

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蒸发段输入热流为：

冷凝段换热系数为：

• 指定蒸发段固体壁面热流为2139.98 w/m2

• 设置冷凝段的对流换热系数396.27973 w/m2-k，环境温度292.2 k

注：这里的292.2 k是论文中直接给出的，作者介绍说是冷凝段采用了水浴控制。那么按道理来讲，热管内工作介质的饱和温度应当高于292.2 K才对，否则冷凝段永远不会有气体被冷凝。

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2.8 Methods设置

• 指定求解方法

2.9 初始化设置

• 创建一个局部区域

• 将冷凝段圈出来

• 进行全局初始化

• 进行Patch，将冷凝段的体积分数指定为全部为液相

• patch完毕后的汽相体积分数分布如下图所示

2.10 自动保存

• 指定自动保存

2.11 设置动画

• 设置动画

2.12 设置迭代参数

• 指定求解计算参数

注意：这里时间步长不能太大，否则非常容易发散。

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3 计算结果

计算时间非常长，这里只计算了1.1s。计算结果如下图所示（这里的结果是饱和温度设置为247.08 k时的计算结果）。

下图为将饱和温度设置298.15 k时的计算结果（共计算了1.1s‍）‍。

相关文件下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1CNQscTKW5jx6M8uS2iUHpA 提取码：hjk2

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坑爹的水论文，这年头想找一篇能复现的论文难度极大。

周末公众号要打个广告，这里提前预个警。‍