[发明专利]一种随机分布疏水点的池沸腾数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种随机分布疏水点的池沸腾数值模拟方法，包括：确定计算域大小和工况参数，参考网格独立性检验结构确定计算域大小，确定饱和温度下的不限于气液共存密度、黏度的参数；确定数值模拟策略，明确加热器大小和方向，亲水性接触角和疏水性接触角大小的模拟工况，构建伪势相变格子Boltzmann模型；生成混合润湿性表面；数值模拟并输出结果。本发明通过提出的亲疏水混合润湿性表面随机自动生成疏水点分布策略，能够生成指定数量和大小、间距不同且随机的疏水点，自动形成亲疏水混合表面，为高通量池沸腾数值模拟提供了便利，并且可以快速获得任意疏水点随机分布的光滑表面沸腾工况，为高效直接数值模拟提供理论依据和技术基础。

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种随机分布疏水点的池沸腾数值模拟方法。

背景技术

沸腾作为高效的传热方式之一，在核电站、脱盐、电子器件散热以及航空热控系统等方面有很重要的应用价值。大量研究表明实验方法与数值模拟均能提升临界热流密度(CHF)和池沸腾传热系数(HTC)，探究的影响因素主要涉及到粗糙度、润湿性、过热度、工作流体性质、加热器尺寸大小和方向、饱和温度等，其中润湿性(用接触角θ量度，0°＜θ＜90°，壁面为亲水性表面；90°＜θ＜180°，壁面为疏水性表面。)对池沸腾性能的影响非常复杂且重要。前期大量研究表明疏水表面有利于促进气泡成核，可以增加HTC；而亲水表面主要通过促进气泡脱离来提高CHF。在各种应用中，需要的是低成本、能保持长期稳定性的高效传热混合表面，这使得构造散热性能优异的亲疏水混合表面成为备受关注的技术之一。数值模拟技术因成本低、效率高、节省空间等优势被应用于设计混合润湿性表面的最佳面积比。

润湿性和粗糙度是影响池沸腾散热性能的关键因素。已有的大量实验研究和数值模拟结果表明，光滑平表面润湿性变化使得沸腾性能差异较大。相比于实验研究，数值模拟可以排除粗糙度的干扰来单独研究润湿性对沸腾传热的影响。亲水表面上放置一定数量和大小的疏水点，形成的亲疏水混合润湿性表面相能够增强核态沸腾传热性能；疏水点的数目、尺寸以及间距等都对亲疏水混合润湿性表面的池沸腾传热存在影响，但润湿性对沸腾传热影响的机理仍没有统一详细的解释，基于界面捕捉的汽液相变模型存在较多简化假设和经验相关性。

目前的数值方法有求解两相N-S方程的流体体积法(VOF)、水平集法(LSM)，基于介观动力学理论的格子Boltzmann方法。VOF和LSM需要实施复杂的界面重构过程，并通过假设成核位点来模拟沸腾相变过程，依赖过多的假设和经验相关式，计算效率低。LBM的池沸腾数值模拟是通过控制单一变量(如疏水点大小、数量、间距等)，手动输入疏水点信息，进行下一个状态的数值模拟时需要多次手动更改，过程复杂且耗时。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种随机分布疏水点的池沸腾数值模拟方法，疏水点能够在数值模拟过程中随机且自动的分布在沸腾表面上，为进一步进行池沸腾数值模拟的高通量计算提供了便利。可以快速获得任意疏水点随机分布的光滑表面沸腾工况，并进行有效的直接数值模拟。

为实现上述目的，本发明提供了一种随机分布疏水点的池沸腾数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、确定计算域大小和工况参数，确定计算域大小，确定饱和温度下的不限于气液共存密度、黏度的参数；

步骤2、确定数值模拟策略，根据模拟需要，明确加热器大小和方向，亲水性接触角和疏水性接触角大小的模拟工况，构建伪势相变格子Boltzmann模型；

步骤3、生成混合润湿性表面，在构建伪势相变格子Boltzmann模型中实施亲疏水混合润湿性表面随机自动生成疏水点分布策略，生成亲疏水混合表面；

步骤4、数值模拟并输出结果，求解步骤3中所述伪势气液相变格子Boltzmann模型中采用BGK碰撞算子的单松弛粒子分布函数演化方程或者多松弛时间碰撞模型演化方程。