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Artículo de método

Simulación CFD de escarcha en superficies frías horizontales

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DOI:

10.3791/68133

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12 de septiembre de 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

En este artículo

Resumen

Aquí, presentamos un modelo numérico para simular la formación de escarcha en superficies frías horizontales utilizando un modelo multifásico euleriano con el enfoque de cambio de fase de Lee. El modelo actualiza dinámicamente la fracción de volumen de escarcha para capturar la variación de densidad y se valida con datos experimentales sobre el espesor, la densidad y la distribución de la escarcha.

Resumen

La formación de escarcha es un fenómeno común que se observa en muchos campos diferentes, incluida la refrigeración, la construcción y el procesamiento de gas natural. Sin embargo, debido a su naturaleza compleja, el desarrollo de un modelo numérico preciso y confiable sigue siendo un desafío importante. A pesar de los esfuerzos anteriores para abordar este problema, los modelos actuales todavía tienen ciertas limitaciones. Este artículo presenta un modelo numérico modificado para la formación de heladas, desarrollado en base a los mecanismos fundamentales subyacentes a la formación de heladas. El modelo utiliza un enfoque de flujo multifásico euleriano junto con el modelo de cambio de fase de Lee. Además, se actualiza el enfoque para determinar la fracción de volumen máximo de escarcha, lo que permite que el modelo considere las variaciones de densidad durante el proceso de glaseado. El modelo se valida rigurosamente comparándolo con datos experimentales sobre espesor, densidad y distribución de varios estudios. Los resultados indican que la desviación relativa absoluta media (MARD) para el espesor de escarcha es del 8,97%, mientras que la MARD para la densidad es del 16,06%. Además, la morfología de las heladas predicha por el modelo coincide estrechamente con las observaciones experimentales informadas en la referencia.

Introducción

La formación de escarcha es un fenómeno común que se observa en muchos campos diferentes. La acumulación de escarcha en las superficies de los intercambiadores de calor perjudica significativamente la eficiencia de la transferencia de calor1, obstruye el flujo de fluidos e interrumpe el rendimiento general de los intercambiadores de calor2, lo que en última instancia dificulta su funcionamiento normal3. Por lo tanto, comprender los mecanismos y el comportamiento de la formación de heladas es fundamental para abordar este problema en los sistemas de refrigeración4. En las últimas décadas, se ha dedicado un cuerpo sustancial de investigación a investigar las causas y características de la formación de heladas en estos sistemas.

Los estudios experimentales han demostrado que la formación de escarcha está influenciada por varios factores, incluida la temperatura del aire, la humedad y la temperatura de la superficie fría 5,6,7,8,9,10. Numerosos hallazgos experimentales han indicado que las temperaturas más bajas del aire entrante tienden a dar lugar a capas de escarcha más gruesas6, mientras que los niveles de humedad más altos contribuyen a la formación de capas de escarcha más densas7. Song et al. estudiaron la formación de escarcha en superficies horizontales y encontraron que las variaciones cíclicas de temperatura de la superficie fría pueden causar derretimiento en la interfaz de la capa de escarcha, lo que influye significativamente en la tasa de formación de escarcha, el espesor de la capa de escarcha y la densidad dinámica de la escarcha8. Otras investigaciones han examinado tanto la morfología como la distribución de las heladas. Jeong et al. observaron en sus experimentos que la escarcha se forma inicialmente cerca de la ensenada, lo que lleva a la ocurrencia de un fenómeno conocido como colina helada9. Noorshams et al. investigaron la formación de escarcha en la superficie de un tubo circular horizontal y encontraron que las capas de escarcha en las superficies delantera y trasera del cilindro eran más gruesas que las de las superficies superiores10. Además, varios estudios 11,12,13,14,15,16 han desarrollado modelos para predecir el espesor unidimensional de la capa de escarcha, utilizando patrones experimentales de formación de escarcha junto con enfoques teóricos y empíricos. Jones y Parker desarrollaron un modelo predictivo para el espesor de las heladas basado en la teoría de la difusión molecular11. La discrepancia entre su modelo y los datos experimentales se mantuvo por debajo del 30% durante un período de 3 h. Con la progresión de la tecnología computacional, un número cada vez mayor de investigadores ha recurrido a la dinámica de fluidos computacional (CFD) para simular la formación de escarcha. A diferencia de los modelos unidimensionales tradicionales, las simulaciones CFD brindan beneficios significativos, particularmente en la visualización de la distribución del espesor de la escarcha y los perfiles de temperatura. Cui et al. realizaron simulaciones CFD de formación de escarcha basadas en la teoría de nucleación12. Sus predicciones de espesor de escarcha mostraron una desviación de menos del 13% de los datos experimentales proporcionados por Lenic et al.13. Paralelamente, los estudios CFD sobre condensación en tubos estructurados han demostrado que las características geométricas como los hoyuelos14 o los pasos helicoidales15 mejoran la transferencia local de calor y masa. Recientemente, You et al.16 desarrollaron un modelo CFD basado en malla dinámica que caracteriza la capa de escarcha como un medio poroso en crecimiento e incorpora la difusión de vapor directamente, logrando una desviación relativa de menos del 5% mientras se mantiene un bajo costo computacional. Estos hallazgos subrayan el potencial de CFD para resolver fenómenos complejos de cambio de fase, ofreciendo información valiosa para el modelado de formación de heladas.

En conclusión, un número significativo de estudios 5,6,7,8,9,10,11,12,13 han explorado la formación de escarcha en superficies frías, contribuyendo a una comprensión evolutiva de los patrones de formación de escarcha bajo varios parámetros. Aunque se han desarrollado múltiples modelos numéricos, que incorporan diversas dimensiones y mecanismos, con frecuencia carecen de una validación integral. La mayoría de los estudios 6,7,8,9,10,11,12,13 validan principalmente modelos que utilizan espesor de escarcha, lo que limita su aplicabilidad más amplia 16. Para superar estas limitaciones, este artículo presenta un modelo numérico que integra el modelo de cambio de fase de Lee y el modelo de flujo multifásico euleriano, con énfasis en los mecanismos centrales que subyacen a la formación de heladas. Además, se introduce un método novedoso para calcular el límite superior de la fracción de volumen de heladas, teniendo en cuenta los cambios dependientes del tiempo en la densidad de las heladas, abordando así las deficiencias de los modelos anteriores. La precisión y confiabilidad del modelo propuesto se evalúan desde varios ángulos, incluido el espesor de la escarcha, las fluctuaciones de densidad y los patrones de formación de escarcha en diferentes condiciones experimentales. Esta extensa validación ofrece un marco teórico sólido para predecir con mayor precisión el comportamiento de las heladas en aplicaciones del mundo real.

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Protocolo

1. Modelo físico y malla

  1. Abra SpaceClaim, seleccione la pestaña Boceto y elija la opción Rectángulo en la función Crear.
  2. Cree un modelo geométrico 2D en el plano XOY con una longitud de 500 mm a lo largo del eje x y un ancho de 15 mm a lo largo del eje y.
  3. Abra ICEM, vaya a la pestaña Archivo, seleccione la pestaña Geometría y, a continuación, elija Abrir geometría e importe el modelo de geometría 2D.
  4. Seleccione el contorno del modelo 2D, abra la función Crear pieza en la ficha Piezas y asigne nombres a los distintos contornos.
  5. Selecciona la pestaña Bloqueo y haz clic en Crear bloque. En la ventana Crear bloque, active la opción Heredar nombre de pieza . Luego vaya a la pestaña Crear bloque y seleccione Inicializar bloque.
  6. En la pestaña Inicializar bloques, seleccione Bloqueo de superficie 2D como tipo y active Inicializar con configuración.
  7. En la pestaña Elegir, seleccione Superficie de formulario para la opción Método. A continuación, en Superficies, haga clic en el icono Seleccionar superficie(s) y elija el plano 2D en la ventana gráfica.
  8. En la pestaña Bloqueo de superficie, seleccione Mayormente asignado para la opción Método, Todo cuádruple para el tipo de malla de cara libre e ICEM CFD Quad para el método de malla de cara libre.
  9. En la pestaña Fusionar bloques a través de curvas, seleccione Todo para el método y establezca Ignorar tamaño en 0,0.
  10. En la pestaña Parámetros de premalla, en Parámetros de mallado, haga clic en Parámetros de borde. En Edge, haga clic en el icono Seleccionar borde(s) y elija Edge en la dirección X en la interfaz gráfica.
  11. En los parámetros de mallado, establezca Nodos en 500, Espaciado 1 a 1e+10, Relación 1 a 2, Espaciado 2 a 1e+10, Relación 2 a 2 y Espacio máximo a 1e+10. Luego marque la opción Copiar parámetros .
  12. En la opción Parámetros de mallado, establezca Ley de malla en Bigeométrico y haga clic en Aplicar. En la pestaña Parámetros de premalla, en la opción Parámetros de mallado, haga clic en Parámetros de borde.
  13. Para la opción Borde en Parámetros de mallado, haga clic en el icono Seleccionar borde(s) y elija el borde en la dirección y en la interfaz gráfica.
  14. En los parámetros de mallado, establezca Nodos en 150, Espaciado 1 a 1e+10, Relación 1 a 2, Espaciado 2 a 1e+10, Relación 2 a 2 y Espacio máximo a 1e+10. Luego marque la opción Copiar parámetros .
  15. En la opción Parámetros de mallado, establezca la Ley de malla en Bigeométrica y haga clic en Aplicar. En la opción Bloqueo, active la función Pre-Mesh y haga clic en Sí cuando se le solicite.
  16. Haga clic con el botón derecho en la malla previa y, a continuación, seleccione Convertir en malla no estructurada en el menú contextual.
  17. Vaya a la pestaña Malla de salida y haga clic en Configuración del solucionador. En la configuración del solucionador, seleccione ANSYS Fluent como solucionador y haga clic en Aplicar.
  18. En la pestaña Salida, haga clic en Escribir entrada. En Nueva ventana 1, haga clic en Guardar; en la nueva ventana 2, haga clic en Sí y, a continuación, en Guardar; en la nueva ventana 3, haga clic en Abrir; y en la nueva ventana 4, haga clic en Listo.

2. Operación del software de simulación de formación de escarcha

  1. Abra Ansys Fluent. Vaya a la pestaña Archivo, luego seleccione la opción Malla en Leer. Vaya a la malla de escala y establezca mm en Malla se creó en. El procedimiento presentado aquí se basa en las condiciones experimentales definidas en el Caso 1 de la Tabla 1.
  2. En la configuración del Solucionador, elija Tipo basado en presión , Formulación de velocidad absoluta y Tiempo transitorio.
  3. Establezca la Aceleración gravitacional en la dirección Y en -9.81. En Modelos, haga clic en Energía y habilite la ecuación de energía.
  4. En Modelos, habilite Viscoso y seleccione k-épsilon (2 eqn). En la sección Modelo k-épsilon, seleccione Estándar.
  5. En Tratamiento cercano a la pared, elija Funciones de pared estándar. En el modelo multifásico de turbulencia, elija Mezcla.
  6. En la opción Constantes de modelo, establezca Cmu, C1-Epsilon, C2-Epsilon, Número de Prandtl TKE, Número de Prandtl TDR, Número de Prandtl de dispersión, Número de Prandtl de energía, Número de Prandtl de pared y Número de Schmidt turbulento como 0,09, 1,44, 1,92, 1, 1,3, 0,75, 0,85, 0,85 y 0,7, respectivamente.
  7. En Funciones definidas por el usuario, establezca Mezcla de viscosidad turbulenta, fase-1, fase-2 en ninguno. En Modelos, haga clic en Especies y habilite Transporte de especies.
  8. En la ventana Modelo de transporte de especies, active Fuente de energía de difusión y seleccione fase-1.
  9. En Modelos, habilite Multifase y elija el modelo Eulerian . En la ventana Modelo multifásico, seleccione Formulación implícita de parámetros de fracción de volumen y establezca el Número de fases eulerianas en 2.
  10. En la ventana Modelo multifásico, seleccione la pestaña Fases , seleccione fase-1 - Fase primaria, establezca Nombre como fase-1 y establezca Material de fase en plantilla de mezcla.
  11. En la ventana Modelo multifásico, seleccione la pestaña Fases , seleccione fase-2 - Fase secundaria, establezca Nombre como fase-2, establezca Material de fase en hielo y habilite Granulado.
  12. En la ventana de configuración de Fases de la pestaña Fases, seleccione Propiedad de fase como Modelo de temperatura granular, establezca Diámetro en 0,0001.
  13. En la ventana Propiedades granulares de la pestaña Fases, establezca Viscosidad granular en 1e-05, establezca Viscosidad granular a granel en 30, establezca Presión de sólidos en lun-et-al, establezca Temperatura granular en algebraica, establezca Viscosidad de fricción en ninguna, establezca Límite de empaque en definido por el usuario, establezca Distribución radial en lun-et-al, establezca Módulo de elasticidad en derivado.
  14. En la pestaña Interacción de fases de la ventana Modelo multifásico, seleccione la etiqueta Fuerzas . Luego seleccione fase-1, fase-2, establezca el coeficiente en wen-yu.
  15. En la pestaña Interacción de fases de la ventana Modelo multifásico, seleccione la etiqueta Fuerzas . Luego seleccione fase-2, fase-2, establezca el coeficiente de restitución en 0.9.
  16. En la pestaña Interacción de fases de la ventana Modelo multifásico, seleccione la pestaña Área interfacial . A continuación, elija la opción ia-simétrica .
  17. En Condiciones de contorno, haga clic en Entrada y seleccione la pestaña fase-1, establezca la opción Fase en fase-1.
  18. En la ventana Entrada de velocidad de la pestaña fase-1, seleccione la pestaña Impulso , establezca el Método de especificación de velocidad en Magnitud, Normal en Límite, establezca el marco de referencia en Absoluto y establezca la Magnitud de velocidad en 0,6.
  19. En la ventana Entrada de velocidad de la fase 1, seleccione Etiqueta térmica , establezca Temperatura en 292,8. En la ventana Velocity Inlet de la etiqueta phase-1, seleccione Etiqueta Species y establezca h2o en 0,008202.
  20. En Condiciones de contorno, haga clic en Entrada y seleccione la etiqueta fase-2 , establezca la opción Fase como fase-2.
  21. En la ventana Entrada de velocidad de la etiqueta de fase-2, seleccione Etiqueta de impulso , establezca Método de especificación de velocidad como 'Magnitud, Normal a Límite', establezca el sistema de referencia como Absoluto, establezca la Magnitud de velocidad como 0, establezca la Temperatura granular como 0.0001.
  22. En la ventana Entrada de velocidad de la etiqueta de fase 2, seleccione la pestaña Térmica y establezca Temperatura en 273. En la ventana Entrada de velocidad de la etiqueta fase-2, seleccione la pestaña Multifase y establezca Fracción de volumen en 0.
  23. En las condiciones de contorno, haga clic en Salida y seleccione la etiqueta fase-1 , establezca la opción Fase en fase-1.
  24. En la ventana Salida de presión de la pestaña fase-1, seleccione la pestaña Térmica , establezca la temperatura total de reflujo en 300.
  25. En la ventana Salida de presión de la pestaña fase-1, seleccione la pestaña Especies , establezca h2o en 0. En Condiciones de contorno, haga clic en Salida y seleccione la pestaña fase-2, establezca la opción Fase en fase-2.
  26. En la ventana Salida de presión de la pestaña fase 2, seleccione la pestaña Térmica y establezca Temperatura total de reflujo en 300.
  27. En la ventana Salida de presión de la pestaña fase 2, seleccione la pestaña Multifase , establezca Temperatura granular de reflujo en 0.0001, establezca Método de especificación de fracción de volumen en Fracción de volumen de reflujo y establezca Fracción de volumen de reflujo en 0.
  28. 2.28 En Condiciones de contorno, haga clic en Muro y seleccione la pestaña Muro frío , establezca la opción Fase en mezcla.
  29. En la ventana de pared de la pestaña de pared fría, seleccione la pestaña Impulso , establezca la opción Movimiento de pared en Pared estacionaria, establezca la opción Modelos de rugosidad de pared en Estándar, establezca la Altura de rugosidad en 0 y establezca la Constante de rugosidad en 0,5.
  30. En la ventana de pared de la pestaña de pared fría, seleccione la pestaña Térmica , seleccione Temperatura como condiciones térmicas, establezca Temperatura en 252,65 y establezca Material en acero.
  31. En la solución, haga clic en Métodos y abra la ventana Métodos de solución. En la ventana Métodos de solución, seleccione Fase acoplada SIMPLE como Esquema de acoplamiento presión-velocidad, seleccione Celda de mínimos cuadrados basada como Discretización espacial de gradiente, seleccione Segundo orden como Discretización espacial de presión, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de densidad, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de impulso, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de fracción de volumen, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de primera orden contra el viento, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de energía cinética turbulenta, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de tasa de disipación turbulenta, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de energía, seleccione Primer orden contra el viento como Discretización espacial de fase-1 h2o, seleccione Primer orden implícito como Formulación transitoria.
  32. En la solución, haga clic en Controles y abra la ventana Controles de la solución. Establezca el Factor de Baja Relajación de Presión en 0.4, establezca el Factor de Baja Relajación de Densidad en 1, establezca el Factor de Baja Relajación de las Fuerzas Corporales en 1, establezca el Factor de Baja Relajación de Impulso en 0.4, establezca el Factor de Baja Relajación de la Fracción de Volumen en 0.4, establezca el Factor de Baja Relajación de la Temperatura Granular en 0.3, establezca el Factor de Subrelajación de la Energía Cinética Turbulenta en 0.3, establezca el Factor de Subrelajación de la Tasa de Disipación Turbulenta en 0.3, establezca el factor de subrelajación de energía en 0.4, establezca el factor de subrelajación de fase-1 h2o en 0.4.
  33. En la solución, haga clic en Inicialización y abra la ventana Inicialización de la solución. Seleccione Inicialización estándar como método de inicialización, seleccione Relativo a la zona de celda como Marco de referencia.
  34. En la ventana Inicialización de la solución, establezca la presión manométrica en 0, establezca la energía cinética turbulenta en 0.00135, establezca la tasa de disipación turbulenta en 0.001143987, establezca la velocidad X de la fase 1 en 0, establezca la velocidad Y de la fase 1 en 0, establezca la velocidad de la fase 1 h2o en 0.008202, establezca la velocidad X de la fase 2 en 0, establezca la velocidad de la fase 2 Y en 0, establezca la fracción de volumen de la fase 2 en 0, establezca la temperatura granular de la fase 2 en 0.0001, establezca la temperatura de la fase 2 en 273. A continuación, haga clic en Inicializar.

3. Configuración de posprocesamiento y exportación de datos

  1. En Resultados, haga clic en Contornos para abrir la ventana Contornos. En la ventana Contornos, active las opciones Relleno, Valores de nodo, Valores de contorno, Rango global y Rango automático . Seleccione Fases como Contornos de Tipo y seleccione Fracción de volumen. A continuación, elija Fase 2 como Fase y haga clic en Guardar/Mostrar.
  2. En Actividades de cálculo, haga clic en Animaciones de solución para abrir la ventana Definición de animaciones.
  3. En la ventana Definición de animaciones, establezca Grabar después de cada en 1 y elija el paso de tiempo. Seleccione Archivo HSF como tipo de almacenamiento. Seleccione contour-1 en las opciones de Objeto de animación y, a continuación, haga clic en Aceptar.
  4. En Resultados, elija la opción Superficies y, a continuación, haga clic en la opción Nueva superficie de línea/rastrillado para abrir la ventana Superficie de línea/rastrillado.
  5. En la ventana Superficie de línea/rastrillado, habilite Línea, establezca x0 [m] en 0,21, establezca x1 [m] en 0,21, establezca y0 [m] en 0, establezca y1 [m] en 0,015 y, a continuación, haga clic en Crear.
  6. En la pestaña Archivo, elija la opción Durante el cálculo en Exportar. A continuación, haga clic en Datos de la solución para abrir la ventana Exportación automática.
  7. En la ventana Exportación automática, elija ASCII como Tipo de archivo. Seleccione Centro de celda como Ubicación, seleccione Espacio como Delimitador. Establezca Exportar datos cada en 1 y, a continuación, elija Paso de tiempo. En la opción Superficies, elija línea-1. En la opción Cantidades, seleccione Densidad (fase-2) y Fracción de volumen (fase-2). Luego, haga clic en Examinar, abra la ventana Seleccionar archivo. En la ventana Seleccionar archivo, haga clic en Aceptar. En la ventana Exportación automática, haga clic en Aceptar.
  8. En las actividades de cálculo, haga clic en Guardado automático (cada tiempo de flujo) para abrir la ventana Guardado automático. A continuación, establezca Guardar archivo de datos cada [s] en 100, seleccione Tiempo de flujo, seleccione Solo si se modifica como Guardar tipo de archivos de caso asociados y haga clic en Aceptar.
  9. En la solución, haga clic en Ejecutar cálculo para abrir la ventana Ejecutar cálculo. A continuación, seleccione Fijo como Tipo de avance de tiempo y Especificado por el usuario como Método de avance de tiempo.
  10. En la ventana Ejecutar cálculo, establezca Número de periodos de tiempo en 7200, Escala de periodo de tiempo en 1, Iteraciones máximas/Periodo de tiempo en 20, Intervalo de informes en 1 e Intervalo de actualización de perfil en 2. A continuación, haga clic en Calcular.

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Resultados

El modelo numérico modificado propuesto captura efectivamente las características clave de la formación de heladas. Se basa en los mecanismos fundamentales que subyacen al crecimiento de las heladas y emplea un enfoque de flujo multifásico euleriano, junto con el modelo de cambio de fase de Lee. Este enfoque permite que el modelo actualice la fracción de volumen máximo de escarcha, teniendo en cuenta las variaciones de densidad a lo largo del proceso de glaseado. Las simulaciones muestran que el modelo se valida rigurosa...

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Discusión

Este estudio desarrolla un modelo numérico capaz de simular la formación de escarcha en una superficie fría horizontal de baja temperatura ajustando dinámicamente el límite superior de la fracción de volumen de acuerdo con el tiempo y las condiciones de operación, reproduciendo así las variaciones en la densidad de escarcha. Aunque la validación presentada aquí se limita a las temperaturas convencionales de la superficie fría, el modelo garantiza que la desviación máxima entre el espesor...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros o relaciones personales que puedan haber influido en el trabajo reportado en este artículo.

Agradecimientos

Esta investigación está respaldada por (XLYC2203184), (U23A20657) y (LJ222410153082).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
FluidoANSYS
ICEMSistema Dassault
Reclamo espacialANSYS

Referencias

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