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计算流体力学--多相流仿真专题

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发表于 2019-1-7 15:07:21 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 中国
第18章 凝固和熔化的模拟(2)
在这一章里将继续介绍凝固・熔化(融化)的模拟。在固液共存的状态下,液相的流动会受到固相的体积率(即固相率)的影响。也就是说,固相率的增大,会使流动变得滞涩。在固液界面相当光滑的场合,譬如冰在水中融化,就可以按照图18.1所示的那样,当某个流体单元内的固相率大于流动的极限固相率时,就把压力和速度设定为0,以此来建立计算模型,从而只用解出此流体单元的温度和固相率即可。流动的极限固相率,虽然视模拟对象的不同而有所变动,一般认为把它定在0.7至0.9之间比较合适。一起来看一个简单的仿真实例,即粘附在固体周围的冰块在流水中逐渐融化的情形,图18.2中展示的是流体的速度矢量分布图。为清楚起见,用网格来表示流体单元,每个单元都用一定长度的矢量来代表流体速度。在这个仿真实例中,根据流动的极限固相率(这里定为0.9)建立起适用的模型。由图中清楚地看到,沿着固相率超过0.9的区域所形成的速度矢量。
图18.1 根据流动极限固相率确立的计算模型
图18.2 仿真实例中的速度矢量分布
下面介绍一个仿真实例,这一次将模拟整块的冷冻食品在水流中解冻。为了保持水产等食品的新鲜度,一般把食品速冻成冻块进行流通。水流解冻是整块冷冻食品的解冻方法之一。其长处就是能够在短时间内予以解冻,然而如果完全解冻的话,食品看起来湿淋淋的,恐怕会使水产等食品显得很没品位。因此,在实施流水解冻时,重要的是解冻至半解冻状态,切忌完全解冻。
一起来考察图18.3中所示的水产品冻块,内含18条鱼(每一层为9条),其长为266毫米(mm)、宽170毫米(mm)、高50毫米(mm)。水产品的几个物理常数设定如下:密度900(kg/m3)、比热2000(J/(kg·K))、热传导系数1.40(W/(m⋅K))。含有水产品的冻块,其初始温度定为-20℃。把它放在温度为4℃,流速为50毫米/秒的水流中,前后历经20分钟,对这样一个过程进行非定常模拟。此外,流动的极限固相率设为0.9。
图18.3 仿真实例中要解冻的整块冷冻食品
图18.4是上层水产品横截面的温度变化,而图18.5则是固相率为0.5的等值面的变化情形。从图中可以看到,由于水流的作用,水产品在20分钟期间内全部被解冻了。然而,观察一下横截面的温度变化,水产品的边缘部分已经接近4℃,即已超越了半解冻状态,而过于解冻了。
图18.4 水产品横截面的温度变化
图18.5 固相率等值面的变化情形
然后,把流速改变为25毫米/秒,但水温保持4℃不变,还是经20分钟的水流冲刷。对此再作一次非定常模拟。图18.6是上层水产品横截面的温度变化,图18.7是固相率为0.5的等值面的变化情况。从横截面温度变化图来看,除了最靠近身边的一条鱼以外,其余的都处于0℃以下, 即可以认为大部分是处于半解冻状态。如果此时把水产品从水流中取出让其自然解冻,就既能在短时间内加以解冻,又避免了水淋淋的难看外观。
此外,图18.4~18.7都是以20倍的快镜头摄制而成的视频。在下一章里将继续有关凝固・熔化仿真的介绍。
图18.6水产品横截面的温度变化(水流速度变换后)
图18.7 固相率等值面的变化情形(水流速度变换后)

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