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Articolo metodologico

Simulazione CFD del gelo su superfici fredde orizzontali

574 visualizzazioni

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DOI:

10.3791/68133

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12 settembre 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 questo articolo

Sommario

Qui, presentiamo un modello numerico per simulare la formazione di brina su superfici fredde orizzontali utilizzando un modello euleriano multifase con l'approccio del cambiamento di fase di Lee. Il modello aggiorna dinamicamente la frazione di volume del gelo per catturare la variazione di densità ed è convalidato rispetto ai dati sperimentali sullo spessore, la densità e la distribuzione del gelo.

Abstract

La formazione di brina è un fenomeno comune osservato in molti campi diversi, tra cui la refrigerazione, l'edilizia e la lavorazione del gas naturale. Tuttavia, a causa della sua natura complessa, lo sviluppo di un modello numerico accurato e affidabile rimane una sfida significativa. Nonostante gli sforzi compiuti in passato per affrontare questo problema, i modelli attuali presentano ancora alcune limitazioni. Questo articolo introduce un modello numerico modificato per la formazione del gelo, sviluppato sulla base dei meccanismi fondamentali alla base della formazione del gelo. Il modello utilizza un approccio euleriano a flusso multifase accoppiato con il modello a cambiamento di fase di Lee. Inoltre, l'approccio per determinare la frazione massima di volume di gelo è stato aggiornato, consentendo al modello di considerare le variazioni di densità durante il processo di glassa. Il modello è rigorosamente convalidato confrontandolo con i dati sperimentali su spessore, densità e distribuzione di vari studi. I risultati indicano che la deviazione relativa assoluta media (MARD) per lo spessore del gelo è dell'8,97%, mentre la MARD per la densità è del 16,06%. Inoltre, la morfologia del gelo prevista dal modello corrisponde strettamente alle osservazioni sperimentali riportate nel riferimento.

Introduzione

La formazione di brina è un fenomeno comune osservato in molti campi diversi. L'accumulo di brina sulle superfici degli scambiatori di calore compromette significativamente l'efficienza di trasferimento del calore1, ostruisce il flusso del fluido e interrompe le prestazioni complessive degli scambiatori di calore2, ostacolando in ultima analisi il loro normale funzionamento3. Pertanto, comprendere i meccanismi e il comportamento della formazione della brina è fondamentale per affrontare questo problema nei sistemi di refrigerazione4. Negli ultimi decenni, una notevole mole di ricerca è stata dedicata allo studio delle cause e delle caratteristiche della formazione del gelo in questi sistemi.

Studi sperimentali hanno dimostrato che la formazione di brina è influenzata da vari fattori, tra cui la temperatura dell'aria, l'umidità e la temperatura della superficie fredda 5,6,7,8,9,10. Numerosi risultati sperimentali hanno indicato che temperature più basse dell'aria in entrata tendono a provocare strati di brina più spessi6, mentre livelli di umidità più elevati contribuiscono alla formazione di strati di brina più densi7. Song et al. hanno studiato la formazione di brina su superfici orizzontali e hanno scoperto che le variazioni cicliche di temperatura della superficie fredda possono causare la fusione all'interfaccia dello strato di brina, che influenza in modo significativo il tasso di formazione del gelo, lo spessore dello strato di ghiaccio e la densità dinamica del gelo8. Altre ricerche hanno esaminato sia la morfologia che la distribuzione del gelo. Jeong et al. hanno osservato nei loro esperimenti che il gelo si forma inizialmente vicino all'insenatura, portando al verificarsi di un fenomeno noto come collina del gelo9. Noorshams et al. hanno studiato la formazione di brina sulla superficie di un tubo circolare orizzontale e hanno scoperto che gli strati di brina sulle superfici anteriore e posteriore del cilindro erano più spessi di quelli sulle superfici superiori10. Inoltre, diversi studi 11,12,13,14,15,16 hanno sviluppato modelli per prevedere lo spessore unidimensionale dello strato di brina, utilizzando modelli sperimentali di formazione del gelo insieme ad approcci teorici ed empirici. Jones e Parker hanno sviluppato un modello predittivo per lo spessore del gelo basato sulla teoria della diffusione molecolare11. La discrepanza tra il loro modello e i dati sperimentali è rimasta al di sotto del 30% per un periodo di 3 ore. Con il progredire della tecnologia computazionale, un numero crescente di ricercatori si è rivolto alla fluidodinamica computazionale (CFD) per simulare la formazione del gelo. A differenza dei tradizionali modelli unidimensionali, le simulazioni CFD offrono vantaggi significativi, in particolare nella visualizzazione della distribuzione dello spessore del gelo e dei profili di temperatura. Cui et al. hanno eseguito simulazioni CFD della formazione del gelo basate sulla teoria della nucleazione12. Le loro previsioni sullo spessore del gelo hanno mostrato una deviazione inferiore al 13% dai dati sperimentali forniti da Lenic et al.13. Parallelamente, gli studi CFD sulla condensazione nei tubi strutturati hanno dimostrato che caratteristiche geometriche come le fossette14 o i passi elicoidali15 migliorano il trasferimento locale di calore e massa. Recentemente, You et al.16 hanno sviluppato un modello CFD dinamico basato su mesh che caratterizza lo strato di ghiaccio come un mezzo poroso in crescita e incorpora direttamente la diffusione del vapore, ottenendo una deviazione relativa inferiore al 5% pur mantenendo un basso costo computazionale. Questi risultati sottolineano il potenziale della CFD nella risoluzione di complessi fenomeni di cambiamento di fase, offrendo preziose informazioni per la modellazione della formazione del gelo.

In conclusione, un numero significativo di studi 5,6,7,8,9,10,11,12,13 ha esplorato la formazione di brina su superfici fredde, contribuendo a una comprensione in evoluzione dei modelli di formazione del gelo sotto vari parametri. Sebbene siano stati sviluppati più modelli numerici, che incorporano varie dimensioni e meccanismi, spesso mancano di una convalida completa. La maggior parte degli studi 6,7,8,9,10,11,12,13 convalida principalmente i modelli che utilizzano lo spessore del gelo, limitandone l'applicabilità più ampia16. Per superare queste limitazioni, questo articolo introduce un modello numerico che integra il modello di cambiamento di fase di Lee e il modello di flusso multifase euleriano, con un'enfasi sui meccanismi principali alla base della formazione del gelo. Inoltre, viene introdotto un nuovo metodo per calcolare il limite superiore della frazione di volume del gelo, tenendo conto delle variazioni della densità del gelo dipendenti dal tempo, risolvendo così le carenze dei modelli precedenti. L'accuratezza e l'affidabilità del modello proposto sono valutate da vari punti di vista, tra cui lo spessore del gelo, le fluttuazioni di densità e i modelli di formazione del gelo in diverse condizioni sperimentali. Questa ampia convalida offre un solido quadro teorico per prevedere in modo più accurato il comportamento del gelo nelle applicazioni del mondo reale.

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Protocollo

1. Modello fisico e mesh

  1. Apri SpaceClaim, seleziona la scheda Schizzo e scegli l'opzione Rettangolo sotto la funzione Crea.
  2. Create un modello geometrico 2D sul piano XOY con una lunghezza di 500 mm lungo l'asse x e una larghezza di 15 mm lungo l'asse y.
  3. Apri ICEM, vai alla scheda File, seleziona la scheda Geometria , quindi scegli Apri geometria e importa il modello di geometria 2D.
  4. Selezionare il contorno del modello 2D, aprire la funzione Crea parte nella scheda Parti e assegnare nomi ai diversi contorni.
  5. Seleziona la scheda Blocco , quindi fai clic su Crea blocco. Nella finestra Crea blocco, selezionare l'opzione Eredita nome parte . Quindi vai alla scheda Crea blocco e seleziona Inizializza blocco.
  6. Nella scheda Inizializza blocchi, selezionare Blocco superficie 2D come tipo e selezionare Inizializza con impostazioni.
  7. Nella scheda Scegli, selezionare Superficie modulo per l'opzione Metodo. Quindi, in Superfici, fare clic sull'icona Seleziona superficie (Surface/s) e scegliere il piano 2D nella finestra grafica.
  8. Nella scheda Blocco superficie, selezionare Per lo più mappato per l'opzione Metodo, Tutto Quad per il tipo di mesh a faccia libera e ICEM CFD Quad per il metodo a mesh a faccia libera.
  9. Nella scheda Unisci blocchi tra curve, selezionare Tutto per il metodo e impostare Ignora dimensione su 0,0.
  10. Nella scheda Parametri pre-mesh, in Parametri mesh, fare clic su Parametri edge. In Spigolo, fare clic sull'icona Seleziona spigolo (Select Edge) e scegliere lo spigolo nella direzione X nell'interfaccia grafica.
  11. In Parametri di meshing, impostare Nodi su 500, Spaziatura da 1 a 1e+10, Rapporto da 1 a 2, Spaziatura da 2 a 1e+10, Rapporto da 2 a 2 e Spazio massimo su 1e+10. Quindi seleziona l'opzione Copia parametri .
  12. Nell'opzione Parametri mesh, impostare Legge mesh su BiGeometrica e fare clic su Applica. Nella scheda Parametri pre-mesh, sotto l'opzione Parametri mesh, fare clic su Parametri bordo.
  13. Per l'opzione Spigolo in Parametri mesh, fare clic sull'icona Seleziona spigolo (Select Edge(s) (Seleziona spigolo/i) e scegliere lo spigolo nella direzione y nell'interfaccia grafica.
  14. In Parametri di meshing, impostare Nodi su 150, Spaziatura 1 su 1e+10, Rapporto da 1 a 2, Spaziatura da 2 a 1e+10, Rapporto da 2 a 2 e Spazio massimo su 1e+10. Quindi seleziona l'opzione Copia parametri .
  15. Sotto l'opzione Parametri mesh, impostare la legge mesh su BiGeometric e fare clic su Applica. Sotto l'opzione Blocco, attivare la funzione Pre-Mesh e fare clic su Sì quando richiesto.
  16. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla pre-mesh, quindi selezionare Converti in mesh non strutturata dal menu contestuale.
  17. Vai alla scheda Mesh di output e fai clic su Configurazione risolutore. Nella configurazione del risolutore, selezionare ANSYS Fluent come risolutore e fare clic su Applica.
  18. Nella scheda Output, fare clic su Write Input. In Nuova finestra 1, fare clic su Salva; nella nuova finestra 2, fare clic su Sì, quindi su Salva; nella nuova finestra 3, fare clic su Apri; e nella nuova finestra 4, fare clic su Fine.

2. Funzionamento del software di simulazione della formazione del gelo

  1. Aprire Ansys Fluent. Vai alla scheda File, quindi seleziona l'opzione Mesh sotto Leggi. Vai alla Scala Mesh e imposta mm in Mesh Was Created In. La procedura qui presentata si basa sulle condizioni sperimentali definite nel Caso 1 della Tabella 1.
  2. Nelle impostazioni del Risolutore, scegli Tipo basato sulla pressione , Formulazione della velocità assoluta e Tempo transitorio.
  3. Impostare l'accelerazione gravitazionale in direzione Y su -9,81. In Modelli, fare clic su Energia e abilitare l'equazione dell'energia.
  4. In Modelli, abilitare Viscoso e selezionare k-epsilon (2 eqn). Nella sezione Modello k-epsilon, selezionare Standard.
  5. Per Trattamento in prossimità della parete, scegliere Funzioni parete standard. In Modello multifase turbolenza (Turbulence Multiphase Model), selezionate Miscela (Mixture).
  6. Nell'opzione Costanti modello (Model Constants), impostate Cmu, C1-Epsilon, C2-Epsilon, Numero Prandtl TKE, Numero Prandtl TDR, Numero Prandtl dispersione, Numero Prandtl energia, Numero Prandtl parete (Wall Prandtl Number) e Numero Schmidt turbolento rispettivamente su 0,09, 1,44, 1,92, 1, 1,3, 0,75, 0,85, 0,85 e 0,7.
  7. In Funzioni definite dall'utente, impostare Miscela di viscosità turbolenta, fase-1, fase-2 su nessuna. In Modelli, fai clic su Specie e abilita Trasporto specie.
  8. Nella finestra Modello di trasporto delle specie, selezionare Fonte di energia per la diffusione e selezionare la fase-1.
  9. In Modelli, abilitare Multifase e scegliere il modello euleriano . Nella finestra Modello multifase, selezionare Formulazione implicita dei parametri della frazione di volume e impostare il numero di fasi euleriane su 2.
  10. Nella finestra Modello multifase, selezionare la scheda Fasi , selezionare fase-1 - Fase primaria, impostare Nome su fase-1 e impostare Materiale fase su modello di miscela.
  11. Nella finestra Modello multifase, selezionare la scheda Fasi , selezionare fase-2 - Fase secondaria, impostare Nome come fase-2, impostare Materiale fase su ghiaccio e abilitare Granulare.
  12. Nella finestra di impostazione Fasi della scheda Fasi, selezionare Proprietà fase come Modello di temperatura granulare, impostare Diametro su 0,0001.
  13. Nella finestra Proprietà granulari della scheda Fasi, impostare Viscosità granulare su 1e-05, impostare Viscosità bulk granulare su 30, impostare Pressione solidi su lun-et-al, impostare Temperatura granulare su algebrica, impostare Viscosità per attrito su nessuna, impostare Limite di impaccamento su definito dall'utente, impostare Distribuzione radiale su lun-et-al, impostare Modulo di elasticità su derivato.
  14. Nella scheda Interazione fasi della finestra Modello multifase, selezionare il tag Forze . Quindi seleziona fase-1, fase-2, imposta il coefficiente su wen-yu.
  15. Nella scheda Interazione fasi della finestra Modello multifase, selezionare il tag Forze . Quindi selezionare fase-2, fase-2, impostare il coefficiente di restituzione su 0,9.
  16. Nella scheda Interazione fasi della finestra Modello multifase, selezionare la scheda Area interfacciale . Quindi scegli l'opzione ia-symmetric .
  17. In Condizioni al contorno, fare clic su Ingresso e selezionare la scheda fase-1, quindi impostare l'opzione Fase su fase-1.
  18. Nella finestra Ingresso velocità della scheda fase-1, selezionare la scheda Quantità di moto , impostare il Metodo di specifica della velocità su Magnitudine, Normale su Limite, impostare il Piano di riferimento su Assoluto e impostare l'Intensità velocità su 0,6.
  19. Nella finestra Velocity Inlet della fase-1, selezionare Thermal tag, impostare Temperatura su 292.8. Nella finestra Velocity Inlet del tag fase-1, selezionare Tag specie , impostare h2o su 0.008202.
  20. In Condizioni al contorno, fate clic su Ingresso (Inlet ) e selezionate l'etichetta phase-2 , quindi impostate l'opzione Phase (Phase) su phase-2.
  21. Nella finestra Ingresso velocità del tag fase-2, selezionare il tag Momentum , impostare il metodo di specifica della velocità su 'Magnitudine, normale al limite', impostare il quadro di riferimento su Assoluto, impostare l'ampiezza della velocità su 0, impostare la temperatura granulare su 0,0001.
  22. Nella finestra Velocity Inlet del tag fase-2, selezionare la scheda Termica , impostare Temperatura su 273. Nella finestra Ingresso velocità del tag fase-2, selezionare la scheda Multifase , impostare Frazione di volume su 0.
  23. In Condizioni al contorno, fare clic su Uscita e selezionare l'etichetta fase-1 , quindi impostare l'opzione Fase su fase-1.
  24. Nella finestra Uscita pressione della scheda fase-1 , selezionare la scheda Termica , impostare la temperatura totale di riflusso su 300.
  25. Nella finestra Uscita pressione della scheda fase-1, selezionare la scheda Specie , impostare h2o su 0. In Condizioni al contorno, fare clic su Uscita e selezionare la scheda fase-2, quindi impostare l'opzione Fase su fase-2.
  26. Nella finestra Uscita pressione della scheda fase-2, selezionare la scheda Termica e impostare Temperatura totale riflusso su 300.
  27. Nella finestra Uscita pressione della scheda fase-2, selezionare la scheda Multifase , impostare Temperatura granulare di riflusso su 0,0001, impostare Metodo di specifica della frazione di volume su Frazione di volume di riflusso e impostare Frazione di volume di riflusso su 0.
  28. 2.28 In Condizioni al contorno, fare clic su Parete e selezionare la scheda parete fredda , quindi impostare l'opzione Fase su miscela.
  29. Nella finestra della parete della scheda Parete fredda, selezionare la scheda Quantità di moto , impostare l'opzione Movimento parete su Parete stazionaria, impostare l'opzione Modelli di rugosità della parete su Standard, impostare l'altezza della rugosità su 0 e impostare la costante di rugosità su 0,5.
  30. Nella finestra della parete della scheda Parete fredda, selezionare la scheda Termica , selezionare Temperatura come Condizioni termiche, impostare Temperatura su 252,65 e impostare Materiale su acciaio.
  31. In Soluzione, fare clic su Metodi e aprire la finestra Metodi di soluzione. Nella finestra Metodi di soluzione, selezionare Phase Coupled SIMPLE come schema di accoppiamento pressione-velocità, selezionare Least Squares Cell Based as Gradient Spatial Discretization, selezionare Second Order as Pressure Spatial Discretization, selezionare First Order Upwind come Density Spatial Discretization, selezionare First Order Upwind come Momentum Spatial Discretization, selezionare First Order Upwind come Discretizzazione spaziale frazione di volume, selezionare First Order Upwind as Discretizzazione spaziale dell'energia cinetica turbolenta, selezionare il primo ordine sopravento come discretizzazione spaziale del tasso di dissipazione turbolenta, selezionare il primo ordine sopravento come discretizzazione spaziale dell'energia, selezionare il primo ordine sopravento come discretizzazione spaziale h2o fase-1, selezionare il primo ordine implicito come formulazione transitoria.
  32. Nella sezione Soluzione fare clic su Controlli e aprire la finestra Controlli soluzione. Impostare il fattore di sotto-rilassamento della pressione su 0,4, impostare il fattore di sotto-rilassamento della densità su 1, impostare il fattore di sotto-rilassamento delle forze del corpo su 1, impostare il fattore di sotto-rilassamento della quantità di moto su 0,4, impostare il fattore di sotto-rilassamento della frazione di volume su 0,4, impostare il fattore di sotto-rilassamento della temperatura granulare su 0,3, impostare il fattore di sotto-rilassamento dell'energia cinetica turbolenta su 0,3, impostare il fattore di sotto-rilassamento del tasso di dissipazione turbolenta su 0,3, impostare il fattore di sotto-rilassamento della viscosità turbolenta su 0,3, impostare il fattore di sotto-rilassamento dell'energia su 0,4, impostare il fattore di sotto-rilassamento h2o della fase-1 su 0,4.
  33. In Soluzione, fare clic su Inizializzazione e aprire la finestra Inizializzazione soluzione. Selezionare Inizializzazione standard come metodo di inizializzazione, selezionare Relativo alla zona della cella come piano di riferimento.
  34. Nella finestra Inizializzazione soluzione, impostare la pressione relativa su 0, l'energia cinetica turbolenta su 0,00135, il tasso di dissipazione turbolenta su 0,001143987, la velocità X della fase 1 su 0, la velocità Y della fase 1 su 0, la velocità della fase 1 h2o su 0,008202, la velocità X della fase 2 su 0, la velocità Y della fase 2 su 0, la frazione del volume della fase 2 su 0, la frazione del volume della fase 2 su 0, impostare la temperatura granulare della fase 2 su 0,0001, impostare la temperatura della fase 2 su 273. Quindi, fai clic su Inizializza.

3. Configurazione della post-elaborazione e dell'esportazione dei dati

  1. In Risultati, fare clic su Curve di livello per aprire la finestra Curve di livello. Nella finestra Curve di livello, attivare le opzioni Pieno, Valori nodo, Valori limite, Intervallo globale e Intervallo automatico . Selezionate Fasi (Phases ) come Contorni di Tipo (Contours of Type) e selezionate Frazione volume (Volume fraction). Quindi, scegli Fase 2 come Fase e fai clic su Salva/Visualizza.
  2. In Attività di calcolo, fare clic su Animazioni soluzione per aprire la finestra Definizione animazioni.
  3. Nella finestra Definizione animazioni, impostare Registra dopo ogni su 1 e scegliere l'intervallo di tempo. Seleziona File HSF come Tipo di archiviazione. Selezionare contour-1 nelle opzioni Oggetto animazione, quindi fare clic su OK.
  4. In Risultati, scegliere l'opzione Superfici, quindi fare clic sull'opzione Nuova superficie linea/spoglia per aprire la finestra Superficie linea/spogliartura.
  5. Nella finestra Linea/Superficie di spogliatoio, attivate Linea, impostate x0 [m] su 0.21, impostate x1 [m] su 0.21, impostate y0 [m] su 0, impostate y1 [m] su 0.015, quindi fate clic su Crea ( Create).
  6. Nella scheda File, scegliere l'opzione Durante il calcolo sotto Esporta. Quindi, fare clic su Dati soluzione per aprire la finestra Esportazione automatica.
  7. Nella finestra Esportazione automatica, scegliere ASCII come Tipo di file. Seleziona Centro celle come posizione, seleziona Spazio come delimitatore. Impostare Esporta dati ogni su 1, quindi scegliere Passaggio tempo. Sotto l'opzione Superfici, scegli la linea-1. In Quantità selezionare Densità (fase-2) e Frazione di volume (fase-2). Quindi, fare clic su Sfoglia, aprire la finestra Seleziona file. Nella finestra Seleziona file, fare clic su OK. Nella finestra Esportazione automatica, fare clic su OK.
  8. In Attività di calcolo, fare clic su Salvataggio automatico (ogni tempo di flusso) per aprire la finestra Salvataggio automatico. Quindi impostare Salva file di dati ogni [s] su 100, selezionare Tempo di flusso, selezionare Solo se modificato come Tipo di salvataggio dei file del caso associati e fare clic su OK.
  9. Nella soluzione, fare clic su Esegui calcolo per aprire la finestra Esegui calcolo. Selezionare quindi Fisso come Tipo di avanzamento temporale e Specificato dall'utente come Metodo di avanzamento temporale.
  10. Nella finestra Esegui calcolo, impostare Numero di passaggi temporali su 7200, impostare Dimensione passo temporale su 1, impostare Numero massimo di iterazioni/Passaggio temporale su 20, impostare Intervallo report su 1 e impostare Intervallo aggiornamento profilo su 2. Quindi, fai clic su Calcola.

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Risultati

Il modello numerico modificato proposto cattura efficacemente le caratteristiche chiave della formazione del gelo. Si basa sui meccanismi fondamentali alla base della crescita del gelo e impiega un approccio euleriano a flusso multifase, accoppiato con il modello a cambiamento di fase di Lee. Questo approccio consente al modello di aggiornare la frazione massima di volume di brina, tenendo così conto delle variazioni di densità durante il processo di glassatura. Le simulazioni mostrano che il modello è rigorosamente conv...

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Discussione

Questo studio sviluppa un modello numerico in grado di simulare la formazione di brina su una superficie fredda orizzontale a bassa temperatura regolando dinamicamente il limite superiore della frazione di volume in base sia al tempo che alle condizioni operative, riproducendo così le variazioni della densità del gelo. Sebbene la validazione qui presentata sia limitata alle temperature convenzionali della superficie fredda, il modello garantisce che la deviazione massima tra lo spessore ...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti noti o relazioni personali che possano aver influenzato il lavoro riportato in questo articolo.

Ringraziamenti

Questa ricerca è supportata da (XLYC2203184), (U23A20657) e (LJ222410153082).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
FluenteANSYS
ICEMSistema Dassault
SpaceClaimANSYS

Riferimenti

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