[논문 리뷰] Implementation and validation of two-phase boiling flow models in OpenFOAM

Kai Fu, Henryk Anglart|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 06.

Lattice Boltzmann Simulation Studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 레이놀즈 평균 난류 모델링을 사용한 이상유체 방법을 통해 OpenFOAM에 이중상 비등 유동 모델을 구현하고 검증한다. 이 모델은 상변화, 계면 열전달 및 계면적 면적 농도에 대한 폐쇄 법칙을 포함하여 과냉각 및 포화 핵형 비등을 예측하며, 공기 분율 및 온도 프로파일에서 실험 데이터와 양호한 일치를 보이지만, 응집 모델링의 한계로 인해 기포 크기 예측은 여전히 성능이 떨어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 서브코oled 및 포화 핵형 비등을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 오픈소스 CFD 코드인 OpenFOAM에 종합적인 이중상 비등 유동 모델을 개발하고 구현하는 것.
• 이중상 비등 유동에서 계면적 질량, 동역학적 운동량, 에너지 이동에 대한 검증된 폐쇄 법칙의 부족을 해결하는 것.
• 구현 세부 정보에 대한 오픈소스 접근을 통해 복잡한 CFD 모델의 완전한 검증 및 검증을 가능하게 하는 것.
• 가열된 파이프 내 수직 상향 유동에서 공기 분율, 온도 분포 및 상변화 메커니즘의 예측 정확도를 향상시키는 것.
• 현재 계면적 면적 운반 모델의 한계, 특히 기포 크기 분포 예측에서의 문제점을 규명하는 것.

제안 방법

• 유체 및 수증기 상에 대한 6개의 보존 방정식을 포함한 이중유체 수식을 채택하여 열역학적 비균형 및 압축성 고려.
• 시스템을 닫기 위해 난류 운동에너지, 소산률 및 계면적 면적 농도(IAC)의 운반 방정식을 통합.
• 핵형 비등에서의 벽면 열 분배 및 상변화 항에 대한 새로운 모델을 구현하여 냉각, 센서블 히팅 및 수증기 생성 고려.
• 난류 응력 모델링에 데보우시그 히포테시스를 적용하고 표준 k-ε 난류 모델을 벽 함수와 함께 적용.
• 계면 속도에 대해 업윈드 이산화를 사용하고 기포 응집, 파손 및 핵형 생성에 대한 소스/싱크 항을 포함.
• 난류 분산력 계수와 같은 계수의 민감도 분석 및 매개변수 조정을 통해 Bartolomej 및 DEBORA 실험 데이터에 대한 모델 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서브코oled 유동 비등 시뮬레이션을 위한 종합적인 폐쇄 법칙을 갖춘 이중유체 이중상 비등 모델이 OpenFOAM에 성공적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 모델은 수직 상향 유동에서 실험 데이터와 비교해 공기 분율 및 액체 온도 프로파일을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 특히 난류 분산력 계수와 같은 핵심 모델 매개변수의 예측 정확도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 시험 구간에서 예측된 기포 크기가 상당히 과소평가되는 이유는 무엇이며, 이는 현재 계면적 면적 운반 모델에 대한 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ5 모델은 실험적 반경 온도 분포 및 상변화 메커니즘을 어느 정도 재현할 수 있는가?

주요 결과

• Bartolomej 및 DEBORA 시험 케이스 양쪽 모두에서 공기 분율 및 액체 온도 프로파일에 대해 실험 데이터와 합리적인 일치를 보였다.
• 민감도 분석 결과, 난류 분산력 계수의 범위가 1.0에서 2.5일 경우 전체 예측 정확도가 크게 향상됨을 확인.
• 반경 온도 분포는 측정된 데이터와 매우 양호한 일치를 보였으며, 이는 신뢰할 수 있는 열장 해상도를 의미함.
• 기포 크기 예측은 만족스럽지 못했으며, 관측 영역에서 상당한 과소평가가 있었으며, 이는 기포 응집률 과소평가 때문일 가능성이 높음.
• OpenFOAM에 구현된 모델은 완전한 투명성과 검증 가능성을 제공하여 향후 비등 유동에 대한 폐쇄 법칙 개발을 지원함.
• 결과는 특히 과냉각 비등에서 응집 및 파손 과정에 대한 향상된 계면적 면적 운반 모델의 필요성을 강조함.