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Methodenartikel

CFD-Simulation von Frost auf horizontalen kalten Oberflächen

574 Ansichten

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DOI:

10.3791/68133

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12. September 2025

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1School of Municipal and Environment Engineering, Shenyang Jianzhu University, 2Shenyang Polytechnic College, 3Laboratory of Thermo-fluid Science and Nuclear Engineering, School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

In dieser Arbeit stellen wir ein numerisches Modell zur Simulation der Frostbildung auf horizontalen kalten Oberflächen unter Verwendung eines Eulerschen Mehrphasenmodells mit dem Lee-Phasenwechsel-Ansatz vor. Das Modell aktualisiert dynamisch den Frostvolumenanteil, um Dichtevariationen zu erfassen, und wird anhand experimenteller Daten zu Frostdicke, -dichte und -verteilung validiert.

Zusammenfassung

Frostbildung ist ein häufiges Phänomen, das in vielen verschiedenen Bereichen beobachtet wird, darunter Kältetechnik, Bauwesen und Erdgasverarbeitung. Aufgrund seiner Komplexität bleibt die Entwicklung eines genauen und zuverlässigen numerischen Modells jedoch eine große Herausforderung. Trotz früherer Bemühungen, dieses Problem anzugehen, haben die aktuellen Modelle immer noch gewisse Einschränkungen. In dieser Arbeit wird ein modifiziertes numerisches Modell für die Frostbildung vorgestellt, das auf den grundlegenden Mechanismen der Frostbildung basiert. Das Modell verwendet einen Eulerschen Mehrphasenströmungsansatz, gekoppelt mit dem Lee-Phasenwechselmodell. Darüber hinaus wird der Ansatz zur Bestimmung des maximalen Frostvolumenanteils aktualisiert, so dass das Modell Dichteschwankungen während des Frostprozesses berücksichtigen kann. Das Modell wird rigoros validiert, indem es mit experimentellen Daten zu Dicke, Dichte und Verteilung aus verschiedenen Studien verglichen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die mittlere absolute relative Abweichung (MARD) für die Frostdicke 8,97 % beträgt, während die MARD für die Dichte 16,06 % beträgt. Darüber hinaus stimmt die vom Modell vorhergesagte Frostmorphologie eng mit den experimentellen Beobachtungen überein, die in der Referenz berichtet werden.

Einleitung

Frostbildung ist ein häufiges Phänomen, das in vielen verschiedenen Bereichen beobachtet wird. Die Ansammlung von Frost auf den Oberflächen der Wärmetauscher beeinträchtigt die Effizienz der Wärmeübertragungerheblich 1, behindert den Flüssigkeitsfluss und stört die Gesamtleistung der Wärmetauscher2, was letztendlich ihren normalen Betriebbehindert 3. Daher ist das Verständnis der Mechanismen und des Verhaltens der Frostbildung entscheidend, um dieses Problem in Kälteanlagenzu lösen 4. In den letzten Jahrzehnten wurde ein umfangreicher Forschungsschwerpunkt auf die Erforschung der Ursachen und Merkmale der Frostbildung in diesen Systemen gelegt.

Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die Bildung von Frost von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, darunter Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und die Temperatur der kalten Oberfläche 5,6,7,8,9,10. Zahlreiche experimentelle Befunde deuten darauf hin, dass niedrigere Lufttemperaturen tendenziell zu dickeren Frostschichten führen6, während höhere Luftfeuchtigkeit zur Bildung dichterer Frostschichten beiträgt7. Song et al. untersuchten die Frostbildung auf horizontalen Flächen und fanden heraus, dass zyklische Temperaturschwankungen der kalten Oberfläche ein Schmelzen an der Grenzfläche der Frostschicht verursachen können, was die Frostbildungsrate, die Frostschichtdicke und die dynamische Frostdichte signifikant beeinflusst8. Andere Forschungen haben sowohl die Morphologie als auch die Verteilung des Frosts untersucht. Jeong et al. beobachteten in ihren Experimenten, dass sich in der Nähe des Einlasses zunächst Frost bildet, was zum Auftreten eines Phänomens führte, das als Frosthügel9 bekannt ist. Noorshams et al. untersuchten die Frostbildung auf einer horizontalen kreisförmigen Rohroberfläche und fanden heraus, dass die Frostschichten auf der Vorder- und Rückseite des Zylinders dicker waren als die auf den oberen Oberflächen10. Darüber hinaus wurden in mehreren Studien 11,12,13,14,15,16 Modelle zur Vorhersage der eindimensionalen Frostschichtdicke entwickelt, wobei experimentelle Frostbildungsmuster sowie theoretische und empirische Ansätze verwendet wurden. Jones und Parker entwickelten ein Vorhersagemodell für die Frostdicke auf der Grundlage der molekularen Diffusionstheorie11. Die Diskrepanz zwischen ihrem Modell und den experimentellen Daten blieb über einen Zeitraum von 3 Stunden unter 30%. Mit dem Fortschritt der Computertechnologie haben sich immer mehr Forscher der Computational Fluid Dynamics (CFD) zugewandt, um die Frostbildung zu simulieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen eindimensionalen Modellen bieten CFD-Simulationen erhebliche Vorteile, insbesondere bei der Visualisierung der Frostdickenverteilung und der Temperaturprofile. Cui et al. führten CFD-Simulationen der Frostbildung auf der Grundlage der Nukleationstheorie12 durch. Ihre Vorhersagen der Frostdicke zeigten eine Abweichung von weniger als 13% von den experimentellen Daten von Lenic et al.13. Parallel dazu haben CFD-Studien zur Kondensation in strukturierten Rohren gezeigt, dass geometrische Merkmale wie Grübchen14 oder spiralförmige Steigungen15 den lokalen Wärme- und Stofftransport verbessern. Kürzlich haben You et al.16 ein dynamisches netzbasiertes CFD-Modell entwickelt, das die Frostschicht als wachsendes poröses Medium charakterisiert und die Dampfdiffusion direkt einbezieht, wodurch eine relative Abweichung von weniger als 5 % bei geringem Rechenaufwand erreicht wird. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von CFD bei der Lösung komplexer Phasenwechselphänomene und bieten wertvolle Erkenntnisse für die Modellierung der Frostbildung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine beträchtliche Anzahl von Studien 5,6,7,8,9,10,11,12,13 die Frostbildung auf kalten Oberflächen untersucht hat, was zu einem besseren Verständnis der Frostbildungsmuster unter verschiedenen Parametern beiträgt. Obwohl mehrere numerische Modelle entwickelt wurden, die verschiedene Dimensionen und Mechanismen einbeziehen, fehlt es ihnen häufig an einer umfassenden Validierung. Die meisten Studien 6,7,8,9,10,11,12,13 validieren in erster Linie Modelle anhand der Frostdicke, was ihre breitere Anwendbarkeit einschränkt16. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird in dieser Arbeit ein numerisches Modell vorgestellt, das das Lee-Phasenwechselmodell und das Eulersche Mehrphasenströmungsmodell integriert, wobei der Schwerpunkt auf den Kernmechanismen liegt, die der Frostbildung zugrunde liegen. Darüber hinaus wird eine neuartige Methode zur Berechnung der Obergrenze des Frostvolumenanteils unter Berücksichtigung zeitabhängiger Änderungen der Frostdichte vorgestellt und damit die Unzulänglichkeiten bisheriger Modelle behoben. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Modells wird aus verschiedenen Blickwinkeln bewertet, einschließlich Frostdicke, Dichteschwankungen und Frostbildungsmustern unter verschiedenen experimentellen Bedingungen. Diese umfassende Validierung bietet einen robusten theoretischen Rahmen für eine genauere Vorhersage des Frostverhaltens in realen Anwendungen.

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Protokoll

1. Physikalisches Modell und Netz

  1. Öffnen Sie SpaceClaim, wählen Sie die Registerkarte Skizze aus, und wählen Sie die Option Rechteck unter der Funktion Erstellen aus.
  2. Erstellen Sie ein geometrisches 2D-Modell auf der XOY-Ebene mit einer Länge von 500 mm entlang der x-Achse und einer Breite von 15 mm entlang der y-Achse.
  3. Öffnen Sie ICEM, gehen Sie zur Registerkarte Datei, wählen Sie die Registerkarte Geometrie aus, wählen Sie dann Geometrie öffnen und importieren Sie das 2D-Geometriemodell.
  4. Wählen Sie die Begrenzung des 2D-Modells aus, öffnen Sie die Funktion Teil erstellen auf der Registerkarte Teile und vergeben Sie Namen für die verschiedenen Berandungen.
  5. Wählen Sie die Registerkarte Blockieren aus und klicken Sie dann auf Block erstellen. Aktivieren Sie im Fenster Block erstellen die Option Teilenamen übernehmen . Gehen Sie dann zur Registerkarte Block erstellen und wählen Sie Block initialisieren.
  6. Wählen Sie auf der Registerkarte Blöcke initialisieren die Option 2D-Oberflächenblockierung als Typ aus, und aktivieren Sie Mit Einstellungen initialisieren.
  7. Wählen Sie auf der Registerkarte Auswählen die Option Formularoberfläche für die Option Methode aus. Klicken Sie dann unter Flächen auf das Symbol Fläche(n) auswählen , und wählen Sie im Arbeitsfenster die 2D-Ebene aus.
  8. Wählen Sie auf der Registerkarte Oberflächenblockierung die Option Größtenteils zugeordnet für die Option Methode, Alle Quad für den Netztyp Freie Fläche und ICEM CFD Quad für die Netzmethode Freie Fläche.
  9. Wählen Sie auf der Registerkarte Blöcke über Kurven zusammenführen die Option Alle für die Methode aus, und legen Sie Größe ignorieren auf 0,0 fest.
  10. Klicken Sie auf der Registerkarte Pre-Mesh Params unter den Vernetzungsparametern auf Kantenparameter. Klicken Sie unter Kante auf das Symbol Kante(n) auswählen und wählen Sie die Kante in X-Richtung in der grafischen Benutzeroberfläche aus.
  11. Legen Sie unter Vernetzungsparameter Knoten auf 500, Abstand 1 auf 1e+10, Verhältnis 1 auf 2, Abstand 2 auf 1e+10, Verhältnis 2 auf 2 und Maximaler Abstand auf 1e+10 fest. Aktivieren Sie dann die Option Parameter kopieren .
  12. Legen Sie unter der Option Vernetzungsparameter die Option Netzgesetz auf Bigeometrisch fest, und klicken Sie auf Anwenden. Klicken Sie auf der Registerkarte Pre-Mesh Params unter der Option Meshing Parameters ( Kantenparameter) auf Edge Params.
  13. Klicken Sie für die Option Kante unter Vernetzungsparameter auf das Symbol Kante(n) auswählen und wählen Sie die Kante in y-Richtung in der grafischen Benutzeroberfläche aus.
  14. Legen Sie unter Vernetzungsparameter Knoten auf 150, Abstand 1 auf 1e+10, Verhältnis 1 auf 2, Abstand 2 auf 1e+10, Verhältnis 2 auf 2 und Maximaler Abstand auf 1e+10 fest. Aktivieren Sie dann die Option Parameter kopieren .
  15. Legen Sie unter der Option Vernetzungsparameter das Netzgesetz auf Bigeometrisch fest, und klicken Sie auf Anwenden. Aktivieren Sie unter der Option Blockieren die Pre-Mesh-Funktion und klicken Sie auf Ja , wenn Sie dazu aufgefordert werden.
  16. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Pre-Mesh und wählen Sie dann im Kontextmenü die Option In unstrukturiertes Mesh konvertieren .
  17. Wechseln Sie zur Registerkarte Ausgabenetz, und klicken Sie auf Solver Setup. Wählen Sie in der Solver-Einrichtung ANSYS Fluent als Solver aus und klicken Sie auf Apply.
  18. Klicken Sie auf der Registerkarte Ausgabe auf Eingabe schreiben. Klicken Sie in neuem Fenster 1 auf Speichern. Klicken Sie in neuem Fenster 2 auf Ja und dann auf Speichern. Klicken Sie in neuem Fenster 3 auf Öffnen. und klicken Sie in neuem Fenster 4 auf Fertig.

2. Betrieb der Software zur Simulation der Frostbildung

  1. Öffnen Sie Ansys Fluent. Gehen Sie zur Registerkarte Datei und wählen Sie dann die Option Netz unter Lesen. Wechseln Sie zum Skalennetz, und legen Sie mm unter Netz wurde erstellt in fest. Das hier vorgestellte Verfahren basiert auf den experimentellen Bedingungen, die in Fall 1 der Tabelle 1 definiert sind.
  2. Wählen Sie in den Solver-Einstellungen die Optionen " Druckbasierter Typ", "Absolute Geschwindigkeitsformulierung " und " Transiente Zeit" aus.
  3. Stellen Sie die Gravitationsbeschleunigung in Y-Richtung auf -9,81 ein. Klicken Sie unter Modelle auf Energie, und aktivieren Sie die Energiegleichung.
  4. Aktivieren Sie unter Modelle die Option Viskos, und wählen Sie k-Epsilon (2 Gln) aus. Wählen Sie im Abschnitt k-epsilon Model die Option Standard aus.
  5. Wählen Sie für Wandnahe Behandlung die Option Standardwandfunktionen. Wählen Sie unter dem Turbulenz-Mehrphasenmodell die Option Mischung aus.
  6. Legen Sie unter der Option Modellkonstanten Cmu, C1-Epsilon, C2-Epsilon, TKE Prandtl-Zahl, TDR-Prandtl-Zahl, Dispersions-Prandtl-Zahl, Energie-Prandtl-Zahl, Wand-Prandtl-Zahl und Turbulente Schmidt-Zahl auf 0,09, 1,44, 1,92, 1, 1,3, 0,75, 0,85, 0,85 bzw. 0,7 fest.
  7. Legen Sie unter Benutzerdefinierte Funktionen die Option Turbulentes Viskositätsgemisch, Phase-1, Phase-2 auf Keine fest. Klicken Sie unter Modelle auf Arten , und aktivieren Sie den Artentransport.
  8. Aktivieren Sie im Fenster Speziestransportmodell die Option Diffusionsenergiequelle und wählen Sie Phase-1 aus.
  9. Aktivieren Sie unter Modelle die Option Mehrphasig, und wählen Sie das Eulersche Modell aus. Wählen Sie im Fenster Mehrphasenmodell die Option Implizite Formulierung der Volumenbruchparameter aus, und legen Sie die Anzahl der Eulerschen Phasen auf 2 fest.
  10. Wählen Sie im Fenster Mehrphasenmodell die Registerkarte Phasen , wählen Sie Phase-1 - Primärphase, legen Sie Name auf Phase-1 fest, und legen Sie Phasenmaterial auf mixture-template fest.
  11. Wählen Sie im Fenster Mehrphasenmodell die Registerkarte Phasen , wählen Sie Phase-2 - Sekundäre Phase, legen Sie Name auf Phase-2 fest, legen Sie Phasenmaterial auf Eis fest, und aktivieren Sie Granular.
  12. Wählen Sie im Setup-Fenster "Phasen" auf der Registerkarte "Phasen" die Option "Phaseneigenschaft " als "Granulares Temperaturmodell" aus, und legen Sie den Durchmesser auf 0,0001 fest.
  13. Legen Sie im Fenster Granulare Eigenschaften auf der Registerkarte Phasen die Granulare Viskosität auf 1e-05 fest, die Granulare Bulk-Viskosität auf 30, den Feststoffdruck auf lun-et-al, die Granulare Temperatur auf algebraisch, die Reibungsviskosität auf keine, die Packungsgrenze auf benutzerdefiniert, die radiale Verteilung auf lun-et-al, den Elastizitätsmodul auf abgeleitet.
  14. Wählen Sie im Fenster Mehrphasenmodell auf der Registerkarte Phasenwechselwirkung das Tag Kräfte aus. Wählen Sie dann Phase-1, Phase-2 und stellen Sie den Koeffizienten auf wen-yu ein.
  15. Wählen Sie im Fenster Mehrphasenmodell auf der Registerkarte Phasenwechselwirkung das Tag Kräfte aus. Wählen Sie dann Phase-2 und Phase-2 aus, und legen Sie den Wiederherstellungskoeffizienten auf 0,9 fest.
  16. Wählen Sie auf der Registerkarte Phasenwechselwirkung des Fensters Mehrphasenmodell die Registerkarte Grenzflächenbereich aus. Wählen Sie dann die Option ia-symmetrisch .
  17. Klicken Sie unter Randbedingungen auf Einlass , wählen Sie die Registerkarte Phase-1 aus, und legen Sie die Option Phase auf Phase-1 fest.
  18. Wählen Sie im Fenster Velocity Inlet der Registerkarte Phase-1 die Registerkarte Momentum aus, legen Sie die Velocity Specification Method auf Magnitude, Normal auf Boundary, legen Sie den Referenzrahmen auf Absolut fest, und legen Sie die Velocity Magnitude auf 0,6 fest.
  19. Wählen Sie im Fenster "Velocity Inlet" von Phase-1 die Option "Thermisches Tag" aus, und legen Sie "Temperatur" auf 292,8 fest. Wählen Sie im Fenster Velocity Inlet des Phase-1-Tags die Option Species-Tag aus, und legen Sie h2o auf 0,008202 fest.
  20. Klicken Sie unter Randbedingungen auf Einlass , wählen Sie Phase-2-Tag aus, und legen Sie die Option Phase auf Phase-2 fest.
  21. Wählen Sie im Fenster "Velocity Inlet" des Phase-2-Tags das Tag "Momentum " aus, setzen Sie "Velocity Specification Method" auf "Magnitude, Normal to Boundary", setzen Sie "Reference Frame" auf "Absolute", setzen Sie "Velocity Magnitude" auf 0 und stellen Sie "Granular Temperature" auf 0,0001 ein.
  22. Wählen Sie im Fenster "Velocity Inlet" des Phase-2-Tags die Registerkarte "Thermisch" aus und stellen Sie "Temperatur" auf 273 ein. Wählen Sie im Fenster "Velocity Inlet" des Phase-2-Tags die Registerkarte "Multiphase " aus und setzen Sie "Volume Fraction" auf 0.
  23. Klicken Sie unter Randbedingungen auf Auslass , wählen Sie Phase-1-Tag aus, und legen Sie die Option Phase auf Phase-1 fest.
  24. Wählen Sie im Fenster "Druckausgang" der Registerkarte Phase-1 die Registerkarte "Thermisch" aus und stellen Sie die Gesamttemperatur des Rückflusses auf 300 ein.
  25. Wählen Sie im Fenster Druckausgang der Registerkarte Phase-1 die Registerkarte Spezies aus und setzen Sie h2o auf 0. Klicken Sie unter Randbedingungen auf Auslass , wählen Sie die Registerkarte Phase-2 aus, und legen Sie die Option Phase auf Phase-2 fest.
  26. Wählen Sie im Fenster "Druckausgang" der Registerkarte "Phase-2" die Registerkarte "Thermisch " aus, und legen Sie die Gesamttemperatur des Rückflusses auf 300 fest.
  27. Wählen Sie im Fenster "Druckausgang" der Registerkarte "Phase-2" die Registerkarte "Mehrphasig " aus, legen Sie "Granulare Temperatur für Rückflussgranulat" auf 0,0001 fest, legen Sie "Methode zur Spezifikation des Volumenanteils" auf "Rückflussvolumenanteil" fest, und legen Sie "Rückflussvolumenanteil" auf 0 fest.
  28. 2.28 Klicken Sie unter Randbedingungen auf Wand , wählen Sie die Registerkarte Kaltwand , stellen Sie die Option Phase auf Mischung.
  29. Wählen Sie im Wandfenster der Registerkarte Kaltwand die Registerkarte Momentum aus, legen Sie die Option Wandbewegung auf Stationäre Wand, legen Sie die Option Wandrauheitsmodelle auf Standard fest, legen Sie die Option Rauheitsmodelle auf Standard fest, legen Sie die Rauheitshöhe auf 0 und setzen Sie die Rauheitskonstante auf 0,5.
  30. Wählen Sie im Wandfenster der Registerkarte Kaltwand die Registerkarte Thermisch aus, wählen Sie Temperatur als Thermische Bedingungen, legen Sie Temperatur auf 252,65 fest, und stellen Sie Material auf Stahl ein.
  31. Klicken Sie unter der Lösung auf Methoden , und öffnen Sie das Fenster Lösungsmethoden. Wählen Sie im Fenster Lösungsmethoden die Option Phasengekoppelt SIMPLE als Druck-Geschwindigkeits-Kopplungsschema aus, wählen Sie Zelle der kleinsten Quadrate basierend als Gradienten-Raumdiskretisierung, wählen Sie Zweite Ordnung als Druckräumliche Diskretisierung, wählen Sie Aufwind erster Ordnung als Räumliche Diskretisierung der Dichte, wählen Sie Aufwind erster Ordnung als Räumliche Diskretisierung des Impulses, wählen Sie Aufwind erster Ordnung als räumliche Diskretisierung des Volumenanteils, wählen Sie Aufwind erster Ordnung als Aufwind erster Ordnung als Turbulente kinetische Energie Räumliche Diskretisierung, wählen Sie Aufwind erster Ordnung als Räumliche Diskretisierung mit turbulenter Dissipationsrate, wählen Sie Aufwind erster Ordnung als Räumliche Energiediskretisierung, wählen Sie Aufwind erster Ordnung als Phase-1 h2o Räumliche Diskretisierung, wählen Sie Implizit erster Ordnung als transiente Formulierung.
  32. Klicken Sie unter der Lösung auf Steuerelemente , und öffnen Sie das Fenster Lösungssteuerelemente. Setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor des Drucks auf 0,4, setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor der Dichte auf 1, setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor der Körperkräfte auf 1, setzen Sie den Impulsunterrelaxationsfaktor auf 0,4, setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor des Volumenanteils auf 0,4, setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor der granularen Temperatur auf 0,3, setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor der turbulenten kinetischen Energie auf 0,3, setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor der turbulenten Verlustrate auf 0,3, setzen Sie den Unterrelaxationsfaktor der turbulenten Viskosität auf 0,3, Setzen Sie den Energie-Unterrelaxationsfaktor auf 0,4, setzen Sie Phase-1 h2o Unterrelaxationsfaktor auf 0,4.
  33. Klicken Sie unter der Projektmappe auf Initialisierung , und öffnen Sie das Fenster Projektmappeninitialisierung. Wählen Sie Standardinitialisierung als Initialisierungsmethode aus, und wählen Sie Relativ zur Zellenzone als Referenzrahmen aus.
  34. Setzen Sie im Fenster Lösungsinitialisierung den Überdruck auf 0, setzen Sie die turbulente kinetische Energie auf 0,00135, setzen Sie die turbulente Verlustrate auf 0,001143987, setzen Sie Phase-1 X Geschwindigkeit auf 0, setzen Sie Phase-1 Y-Geschwindigkeit auf 0, setzen Sie Phase-1 Y-Geschwindigkeit auf 0, setzen Sie Phase-1 h2o auf 0,008202, setzen Sie Phase-2 X Geschwindigkeit auf 0, setzen Sie Phase-2 Y-Geschwindigkeit auf 0, setzen Sie Phase-2 Volumenanteil auf 0, Stellen Sie die Granulartemperatur von Phase-2 auf 0,0001 und die Temperatur von Phase-2 auf 273 ein. Klicken Sie dann auf Initialisieren.

3. Konfiguration der Nachbearbeitung und des Datenexports

  1. Klicken Sie unter den Ergebnissen auf Konturlinien , um das Fenster Konturlinien zu öffnen. Aktivieren Sie im Fenster Konturlinien die Optionen Gefüllt, Knotenwerte, Begrenzungswerte, Globaler Bereich und Automatischer Bereich . Wählen Sie Phasen als Konturen des Typs aus, und wählen Sie Volumenanteil aus. Wählen Sie dann Phase 2 als Phase aus und klicken Sie auf Speichern/Anzeigen.
  2. Klicken Sie unter den Berechnungsaktivitäten auf Lösungsanimationen , um das Fenster Animationsdefinition zu öffnen.
  3. Legen Sie im Fenster Animationsdefinition die Option "Nach jedem aufzeichnen" auf 1 fest, und wählen Sie "Zeitschritt" aus. Wählen Sie HSF-Datei als Speichertyp aus. Wählen Sie unter den Optionen für Animationsobjekt die Option Kontur-1 aus, und klicken Sie dann auf OK.
  4. Wählen Sie unter Ergebnisse die Option Flächen aus, und klicken Sie dann auf die Option Neue Linien-/Neigungsfläche, um das Fenster Linien-/Neigungsfläche zu öffnen.
  5. Aktivieren Sie im Fenster Linien-/Neigungsfläche die Option Linie, setzen Sie x0 [m] auf 0,21, setzen Sie x1 [m] auf 0,21, setzen Sie y0 [m] auf 0, setzen Sie y1 [m] auf 0,015, und klicken Sie dann auf Erstellen.
  6. Wählen Sie auf der Registerkarte Datei die Option Während der Berechnung unter Exportieren aus. Klicken Sie dann auf Lösungsdaten , um das Fenster Automatischer Export zu öffnen.
  7. Wählen Sie im Fenster "Automatischer Export" die Option "ASCII " als Dateityp aus. Wählen Sie Zellmitte als Position und dann Leerzeichen als Trennzeichen aus. Legen Sie Export Data Every auf 1 fest, und wählen Sie dann Time Step aus. Wählen Sie unter der Option Flächen die Option Linie-1 aus. Wählen Sie unter der Option Mengen die Option Dichte (Phase-2) und Volumenanteil (Phase-2) aus. Klicken Sie dann auf Durchsuchen und öffnen Sie das Fenster Datei auswählen. Klicken Sie im Fenster Datei auswählen auf OK. Klicken Sie im Fenster Automatischer Export auf OK.
  8. Klicken Sie unter den Berechnungsaktivitäten auf Automatisch speichern (Jede Durchflusszeit), um das Fenster Automatisch speichern zu öffnen. Legen Sie dann Datendatei speichern alle [s] auf 100 fest, wählen Sie Durchflusszeit aus, wählen Sie Nur wenn geändert als Typ Zugeordnete Falldateien speichern aus, und klicken Sie auf OK.
  9. Klicken Sie unter der Lösung auf Berechnung ausführen , um das Fenster Berechnung ausführen zu öffnen. Wählen Sie dann Fest als Zeitfortschrittstyp und Benutzerdefiniert als Zeitvorschubmethode aus.
  10. Legen Sie im Fenster Berechnung ausführen die Anzahl der Zeitschritte auf 7200 fest, legen Sie die Größe der Zeitschritte auf 1 fest, legen Sie die Anzahl der Iterationen/Zeitschritte auf 20 fest, legen Sie das Berichtsintervall auf 1 fest, und legen Sie das Profilaktualisierungsintervall auf 2 fest. Klicken Sie dann auf Berechnen.

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Ergebnisse

Das vorgeschlagene modifizierte numerische Modell erfasst effektiv die Schlüsselmerkmale der Frostbildung. Es basiert auf den grundlegenden Mechanismen, die dem Frostwachstum zugrunde liegen, und verwendet einen Eulerschen Mehrphasenströmungsansatz, gekoppelt mit dem Lee-Phasenwechselmodell. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Modell, den maximalen Frostvolumenanteil zu aktualisieren und so Dichteschwankungen während des gesamten Frostprozesses zu berücksichtigen. Die Simulationen zeigen, dass das Modell rigoros validiert wi...

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Diskussion

In dieser Studie wird ein numerisches Modell entwickelt, das in der Lage ist, die Frostbildung auf einer horizontalen kalten Oberfläche mit niedrigen Temperaturen zu simulieren, indem die obere Grenze des Volumenanteils dynamisch in Abhängigkeit von der Zeit und den Betriebsbedingungen angepasst wird, wodurch Schwankungen der Frostdichte reproduziert werden. Obwohl sich die hier vorgestellte Validierung auf konventionelle kalte Oberflächentemperaturen beschränkt, garantiert das Modell, d...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die die in diesem Artikel berichtete Arbeit beeinflusst haben könnten.

Danksagungen

Diese Forschung wird unterstützt durch (XLYC2203184), (U23A20657) und (LJ222410153082).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
FließendANSYS
ICEMDassault-System
Weltraum-BehauptungANSYS

Referenzen

  1. Saygin, A., Basol, A. M., Arik, M. An experimental study on the frost formation over a flat plate: Effect of frosting on heat transfer. Exp Therm Fluid Sci. 144, 110862(2023).
  2. Fang, X., et al. A new frictional pressure drop correlation based on flow patterns for hydrocarbon refrigerants condensation flow. Int J Refrig. 170, 214-223 (2025).
  3. Rong, X., et al. Experimental study on a multi-evaporator mutual defrosting system for air source heat pumps. Appl Energy. 332, 120528(2023).
  4. Jia, Y., Xu, X., Li, Y., Liang, X., Yao, M. Experimental studies on frost and defrost of fine tube bundles under coolant temperature between −20 and −5 °C. Int J Heat Mass Transf. 116, 617-620 (2018).
  5. Song, M., Dang, C. Review on the measurement and calculation of frost characteristics. Int. J. Heat Mass Transf. 124, 586-614 (2018).
  6. Lee, J., Lee, K. -S. The behavior of frost layer growth under conditions favorable for desublimation. Int J Heat Mass Transf. 120, 259-266 (2018).
  7. Lee, Y. B., Ro, S. T. Frost formation on a vertical plate in simultaneously developing flow. Exp Therm Fluid Sci. 26 (8), 939-945 (2002).
  8. Mengjie, S., Shangwen, L., Hosseini, S. H., Xiaoyan, L., Zhihua, W. An experimental study on the effect of horizontal cold plate surface temperature on frosting characteristics under natural convection. Appl Therm Eng. 211, 118416(2022).
  9. Jeong, H., Byun, S., Kim, D. R., Lee, K. S. Frost growth mechanism and its behavior under ultra-low temperature conditions. Int J Heat Mass Transf. 169, 120941(2021).
  10. Barzanoni, Y., Noorshams, O., Basirat Tabrizi, H., Damangir, E. Experimental investigation of frost formation on a horizontal cold cylinder under cross flow. Int J Refrig. 34 (4), 1174-1180 (2011).
  11. Jones, B. W., Parker, J. D. Frost formation with varying environmental parameters. J Heat Transf. 97 (2), 255-259 (1975).
  12. Cui, J., Li, W. Z., Liu, Y., Jiang, Z. Y. A new time- and space-dependent model for predicting frost formation. Appl Therm Eng. 31 (4), 447-457 (2011).
  13. Lenic, K., Trp, A., Frankovic, B. Transient two-dimensional model of frost formation on a fin-and-tube heat exchanger. Int J Heat Mass Transf. 52 (1-2), 22-32 (2009).
  14. Yu, J., Huo, R., Shen, H., Li, X., Zhu, Z. A simulation study on the condensation flow and thermal control characteristics of mixed refrigerant in a dimpled tube. Appl Therm Eng. 231, 120889(2023).
  15. Yu, J., Jiang, Y., Cai, W., Li, X., Zhu, Z. Condensation flow patterns and heat transfer correction for zeotropic hydrocarbon mixtures in a helically coiled tube. Int J Heat Mass Transf. 143, 118500(2019).
  16. You, Y., Wang, S., Lv, W., Chen, Y., Gross, U. A CFD model of frost formation based on dynamic meshes technique via secondary development of ANSYS Fluent. Int J Heat Fluid Flow. 89, 108807(2021).
  17. Cai, W., Fang, X., Li, S., Qiu, G. A modified CFD model for frosting on a horizontal plate. Int J Heat Mass Transf. 229, 125726(2024).
  18. Boyina, K. S., et al. Condensation frosting on meter-scale superhydrophobic and superhydrophilic heat exchangers. Int J Heat Mass Transf. 145, 118694(2019).

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FrostbildungNumerisches ModellMehrphasenstr mungLee PhasenwechselFrostmorphologieFrostdickeFrostdichteDichtevariationExperimentelle Validierung
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