水平冷表面上结霜的CFD模拟

摘要

本文提出了一种基于欧拉多相流模型并结合Lee相变方法的数值模型，用于模拟水平低温表面的霜形成过程。该模型通过动态更新霜体积分数以捕捉密度变化，并利用实验数据对霜层厚度、密度及分布进行了验证。

摘要

结霜是一种在制冷、建筑和天然气加工等多个领域中普遍存在的现象。然而，由于其过程的复杂性，建立准确可靠的数值模型仍是一个重大挑战。尽管此前已有多项研究致力于解决这一问题，但现有模型仍存在一定的局限性。本文介绍了一种基于结霜基本机理改进的数值模型。该模型采用欧拉多相流方法，并结合Lee相变模型进行模拟。此外，对最大霜层体积分数的确定方法进行了更新，使模型能够考虑结霜过程中密度的变化。通过与来自不同研究的实验数据在厚度、密度及分布方面的对比，对该模型进行了严格验证。结果表明，霜层厚度的平均绝对相对偏差（MARD）为8.97%，密度的MARD为16.06%。此外，模型预测的霜层形貌与参考文献中报道的实验观测结果高度一致。

引言

结霜是一种在多个不同领域中普遍存在的现象。换热表面霜层的积聚会显著降低传热效率¹，阻碍流体流动，并破坏换热器的整体性能²，最终影响其正常运行³。因此，理解结霜的机理与行为对于解决制冷系统中的这一问题至关重要⁴。近几十年来，已有大量研究致力于探究这些系统中结霜的原因及其特征。

实验研究表明，霜的形成受到多种因素的影响，包括空气温度、湿度以及冷表面的温度^5,6,7,8,9,10。大量实验结果表明，较低的进气温度往往导致更厚的霜层⁶，而较高的湿度水平则有助于形成密度更高的霜层⁷。Song 等人研究了水平表面上的霜形成过程，发现冷表面的周期性温度变化可引起霜层界面处的融化，从而显著影响霜的形成速率、霜层厚度以及....

方案

1. 物理模型与网格

1. 打开 SpaceClaim，选择 草图 选项卡，然后在创建功能下选择 矩形 选项。
2. 在 XOY 平面上创建一个二维几何模型，沿 x 轴方向长度为 500 mm，沿 y 轴方向宽度为 15 mm。
3. 打开 ICEM，进入文件选项卡，选择 几何 选项卡，然后选择 打开几何 并导入二维几何模型。
4. 选择 二维模型的边界，在部件选项卡下打开 创建部件 功能，并为不同边界分配名称。
5. 选择 分块选项卡，然后点击 创建分块。在创建分块窗口中，勾选 继承部件名称选项。然后进入创建分块选项卡并选择 初始化分块。
6. 在初始化分块选项卡中，选择 二维面分块作为类型，并勾选 使用设置初始化。
7. 在选择选项卡下，方法选项选择 生成面。然后在面选项下，点击 选择面(s)图标，并在图形窗口中选择

结果

所提出的改进数值模型能够有效捕捉霜层形成的关键特征。该模型基于霜层生长的基本机理，采用欧拉多相流方法，并结合Lee相变模型。该方法使模型能够动态更新最大霜体积分数，从而考虑结霜过程中密度的变化。模拟结果表明，通过将模型对霜层厚度、密度和分布的预测结果与多项研究的实验数据进行对比，模型得到了严格验证。此外，模型预测的霜层形貌与文献报道的实验观察结果高度一致。

图1 展示了模拟物理模型的示意图。计算区域前端包含一个充分发展的入口区域，上壁面设置为绝热边界。左侧边界定义为速度入口，右侧边界作为压力出口。该设置确保了在对流流动条件下霜形成过程具有真实的边界条件。

图2 展示了在3600秒时模拟的霜层体积分数分布。模拟条件总结于表1中，其中壁面温度为252.65 K，空气温度为292.95 K，入口流速为0.6 m/s，相对湿度为58%。最大体积分数达到0.07。霜层分布均匀，中心区域.......

讨论

本研究开发了一种数值模型，通过根据时间和运行条件动态调整体积分数的上限，能够模拟低温水平冷表面上的霜层形成过程，从而再现霜密度的变化。尽管本文所展示的验证仅限于传统的冷表面温度条件，但该模型确保了模拟与实验测得的霜层厚度之间的最大偏差不超过-20%（平均绝对相对偏差 MARD = 8.97%），霜密度的最大偏差在29.72%以内（MARD = 16.06%）。此外，模拟得到的霜层分布与实验观测结果高度一致。这些结果对于构建高精度数值霜层模型具有重要意义。

尽管文献中已提出多种数值霜冻模型^{11,12,13,14,15,16}，但本研究通过验证更广泛的参数范围，并实现模拟与实验之间更小的偏差，展现.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Fluent	ANSYS
ICEM	Dassault system
SpaceClaim	ANSYS