[論文レビュー] Implementation and validation of two-phase boiling flow models in OpenFOAM

Kai Fu, Henryk Anglart|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Lattice Boltzmann Simulation Studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、レイノルズ平均乱流モデルを用いた二相流モデルをOpenFOAMに実装・検証した。二流体アプローチを採用し、界面熱伝達、相変化、界面面積濃度の閉じ込め法則を含むモデルは、空隙率および温度分布に関して実験データと良好な一致を示したが、凝集モデルの制限により気泡サイズの予測は依然として不十分である。

ABSTRACT

Prediction of two-phase boiling flows using the computational fluid dynamics (CFD) approach is very challenging since several sub-models for interfacial mass, momentum and energy transfer in such flows are still not well established and require further development and validation. Once validating a particular model, it is important that all key parameter involved in the model are carefully verified. Such verification is typically performed by separate effect tests, where one parameter at a time is compared to a measured or otherwise known value. Needless to say that for complex models, which are typical for CFD applications to two-phase flow, the number of independent parameters that need to be verified can be quite high. This particular feature makes the validation process of complex CFD models in open source codes very attractive, since full access to the implementation details is possible. This paper is concerned with implementation and validation of two-phase boiling bubbly flow models using the OpenFOAM, open source environment. The model employs the two-fluid formulation of the conservation equations with the Reynolds-averaged treatment of the turbulent terms. The model consists of six conservation equations for the liquid and the vapor phase, allowing for the thermodynamic non-equilibrium and compressibility of both phases. In addition, the model includes two transport equations for the turbulence kinetic energy and energy dissipation and one transport equation for the interfacial area concentration. New models for wall heat partitioning as well as for the phase change terms in nucleate boiling have been implemented. Sensitivity studies as well as validation of the model against measured data available in the open literature have been performed and it has been shown that a reasonable agreement between predictions and experiments has been achieved.

研究の動機と目的

• サブクールおよび飽和核沸騰の正確なシミュレーションを可能にする、オープンソースCFDコードOpenFOAM上での包括的二相沸騰流モデルの開発および実装を目的とする。
• 二相沸騰流における界面質量・運動量・エネルギー移動の妥当な閉じ込め法則の欠如に対処することを目的とする。
• 実装詳細のオープンソース提供を通じて、複雑なCFDモデルの完全な検証と検証を可能にする。
• 加熱パイプ内の垂直上向き流れにおける空隙率、温度分布および相変化機構の予測精度を向上させることを目的とする。
• 現在の界面面積輸送モデルの限界、特に気泡サイズ分布の予測に関する問題を特定することを目的とする。

提案手法

• 液体および蒸気相のための6本の保存則を含む二流体式を採用し、熱力学的非平衡状態および圧縮性を考慮した。
• 系を閉じるために、乱流運動エネルギー、散逸率、および界面面積濃度（IAC）の輸送方程式を組み込んだ。
• 核沸騰における壁面熱分担および相変化項のための新規モデルを実装し、急冷、感熱加熱、蒸気生成を含めた。
• 乱流応力モデルにボウシネスク仮説を採用し、壁関数を用いた標準k-ε乱流モデルを適用した。
• 界面速度に上流差分法を用い、気泡の凝集・破壊・核生成のための源・Sink項を含めた。
• 乱流拡산力係数などの係数の感度解析およびパラメータチューニングを用いて、BartolomejおよびDEBORAの実験データに対するモデルの検証を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 包括的な閉じ込め法則を備えた二流体二相沸騰モデルを、OpenFOAM上でサブクールフロー沸騰シミュレーションに成功して実装できるか？
• RQ2 垂直上向き流れにおける実験データと比較して、モデルは空隙率および液体温度分布をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 特に乱流拡散力係数を含む主要なモデルパラメータが予測精度に与える影響は何か？
• RQ4 なぜ予測された気泡サイズが試験部における実測値と顕著に低く見積もられているのか？これは現在の界面面積輸送モデルに何を示唆するか？
• RQ5 モデルは実験による径方向温度分布および相変化機構をどの程度再現できるか？

主な発見

• BartolomejおよびDEBORAの両テストケースにおいて、空隙率および液体温度分布に関して、実験データと妥当な一致を示した。
• 感度解析の結果、乱流拡散力係数が1.0～2.5の範囲にある場合、全体の予測精度が顕著に向上することが判明した。
• 径方向温度分布は測定値と非常に良好に一致しており、熱場の解像度が信頼できることが示された。
• 気泡サイズの予測は満足できない結果に留まり、観測領域で顕著な低減が見られた。これは、気泡凝集率の低減見積もりが原因である可能性が高い。
• OpenFOAM上でのモデル実装により、完全な透明性と検証が可能となり、沸騰流の閉じ込め法則のさらなる開発を支援できる。
• 結果から、特にサブクール沸騰における凝集および破壊プロセスのための、改善された界面面積輸送モデルの必要性が浮き彫りになった。