本案例演示在Fluent中利用UDF添加质量源项及能量源项的方式模拟水沸腾。

注：本算例来自Fluent官方老案例，仅为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。

”1 问题描述

计算模型如下图所示。

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计算区域内介质为液态水，初始温度372 K，两侧面为绝热壁面。容器底部中心区域为高温T=573 K。

2 Fluent设置以2D、Double Precision方式启动Fluent利用菜单File → Read → Mesh…读取网格文件boil.msh2.1 General设置选择Transient，指定重力加速度为Y方向-9.81 m/s2

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2.2 Models设置激活能量方程

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采用层流计算

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采用Mixture多相流模型，激活选项Implicit Body Force

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2.3 Materials设置添加水与水蒸气

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按下图所示修改水蒸气材料参数

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注：本算例利用UDF指定传质与传热，因此标准状态焓与参考温度可以随便设置，不参与计算。

”添加液态水，按下图所示指定参数

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2.4 设置多相流模型指定多相流模型主相为water-liquid

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指定次相为vapor，设置Diameter为0.0002 m

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相间作用如下图所示，不需要设置传质与传热

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2.5 解释UDF右键选择模型树节点User Defined Functions，点击弹出菜单项Interpreted...打开UDF解释对话框

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在打开的对话框中添加源文件source.c，点击按钮Interpret解释源代码

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2.6 设置计算区域设置流体计算区域fluid，选择Phase为mixture，激活选项Source Terms，点击Energy后的按钮Edit...编辑能量源

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指定能量源为udf enrg_src，点击OK按钮关闭对话框

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设置Phase为liquid，如下图所示设置Mass后方的Edit... 按钮添加质量源

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设置液相质量源为udf liq_src

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增加气相质量源

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设置气相质量源为udf vap_src

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2.7 边界条件设置设置出口边界poutlet的出口静压为0 Pa

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指定出口回流温度为372 K

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指定出口气相回流体积分数为0

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指定边界wall-hot的温度为573 K

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2.8 Methods设置计算方法设置

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2.9 标记区域右键选择模型树节点Cell Registers，点击弹出菜单项New → Boundary…打开设置对话框

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如下图所示标记边界区域wall-hot相邻的第一层网格

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2.10 初始化全局初始化

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将标记的网格区域温度初始化为373.15 K

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2.11 开始计算指定时间步长0.005 s，时间步数为1000，进行计算

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2.12 计算结果计算结果如下图所示

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3 UDF程序简解

这个UDF还是比较简单的，主要包含两个质量源与一个能量源。计算公式采用的是Lee模型。

UDF程序如下所示。

#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;}

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