工程科学学报，第37卷，第6期：721-730,2015年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.6:721-730,June 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.06.007:http://journals.ustb.edu.cn 基于两相流EF模型的样品表面相变行为及液膜变 化的CFD预测 陈 洁，时鹏，文磊，闫松涛，曹宗宝，金莹四 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yjin@ustb.cd血.cm 摘要提出了一种利用两相流Eulerian Wall Film(EWF)模型和自定义结露量公式相结合米预测样品表面相变行为及液 膜变化的方法.首先利用自搭建环境实验箱开展结露物理实验，并分别基于两相流EW℉模型与单相流模型进行仿真实验 结果表明，相对于单相流模型，EW下模型因考虑了相变过程而能够更加精确地模拟样品表面相变行为.然后通过自定义公式 计算所得结露量与实测结露量的对比，验证了所提出结露量公式的正确性.最后在模拟与实测的温湿度曲线以及结露量吻 合较好的前提下，模拟了样品表面液膜变化过程，过程中液膜呈现的形态与物理实验中原位摄像系统捕捉到的液膜形态初步 吻合， 关键词大气腐蚀：相变：液膜：二相流：数值模拟：计算流体动力学(CFD) 分类号TG174 CFD prediction of phase change behavior and liquid film evolution on specimens based on the Eulerian wall film model of two-phase flow CHEN Jie,SHI Peng,WEN Lei,YAN Song-tao,CAO Zong-bao,JIN Ying National Center for Materials Service Safety,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yjin@ustb.edu.cn ABSTRACT A method was presented to predict phase change behavior and liquid film evolution on specimens by combining the Eulerian wall film (EWF)model of two-phase flow with the self-defined formula of dew amount.Firstly,a self-built environmental test chamber was used to carry out condensation physical tests,and simulated tests were respectively performed based on the EWF model and the single-phase flow model.It is found that the EWF model is more accurate than the single-phase flow model due to necessary consideration of the phase change process.Then,a self-defined formula was established to calculate the dew amount and it was verified by the physical tests.Finally,under the premise that simulated and tested temperatures,relatively humidity curves and dew amounts show good agreement,the changing process of liquid films on specimen surfaces was predicted,and the simulation prediction of liquid film shape on specimen surfaces is in consistent with in-situ video imaging morphology during the physical tests. KEY WORDS atmospheric corrosion;phase change:liquid films:two-phase flow:numerical simulation:computational fluid dynamics (CFD) 统计表明，金属的大气腐蚀造成的经济损失占金 属表面的温度低于其存放环境的空气露点温度，金属 属总损失量的50%以上四.在潮湿的空气中，如果金 的表面就会出现结露现象.结露是影响表面润湿时间 收稿日期：2014-07-29 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET一10O224)：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP-10O05B：“重大工 程材料服役安全研究评价设施”预研资助项目(YYXM-14120001):高等学校学科创新引智计划资助项目(B12012)
工程科学学报，第 37 卷，第 6 期:721--730，2015 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 6: 721--730，June 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 06． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于两相流 EWF 模型的样品表面相变行为及液膜变 化的 CFD 预测 陈 洁，时 鹏，文 磊，闫松涛，曹宗宝，金 莹 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083 通信作者，E-mail: yjin@ ustb． edu． cn 摘 要 提出了一种利用两相流 Eulerian Wall Film (EWF)模型和自定义结露量公式相结合来预测样品表面相变行为及液 膜变化的方法． 首先利用自搭建环境实验箱开展结露物理实验，并分别基于两相流 EWF 模型与单相流模型进行仿真实验． 结果表明，相对于单相流模型，EWF 模型因考虑了相变过程而能够更加精确地模拟样品表面相变行为． 然后通过自定义公式 计算所得结露量与实测结露量的对比，验证了所提出结露量公式的正确性． 最后在模拟与实测的温湿度曲线以及结露量吻 合较好的前提下，模拟了样品表面液膜变化过程，过程中液膜呈现的形态与物理实验中原位摄像系统捕捉到的液膜形态初步 吻合． 关键词 大气腐蚀; 相变; 液膜; 二相流; 数值模拟; 计算流体动力学(CFD) 分类号 TG174 CFD prediction of phase change behavior and liquid film evolution on specimens based on the Eulerian wall film model of two-phase flow CHEN Jie，SHI Peng，WEN Lei，YAN Song-tao，CAO Zong-bao，JIN Ying National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: yjin@ ustb． edu． cn ABSTRACT A method was presented to predict phase change behavior and liquid film evolution on specimens by combining the Eulerian wall film (EWF) model of two-phase flow with the self-defined formula of dew amount． Firstly，a self-built environmental test chamber was used to carry out condensation physical tests，and simulated tests were respectively performed based on the EWF model and the single-phase flow model． It is found that the EWF model is more accurate than the single-phase flow model due to necessary consideration of the phase change process． Then，a self-defined formula was established to calculate the dew amount and it was verified by the physical tests． Finally，under the premise that simulated and tested temperatures，relatively humidity curves and dew amounts show good agreement，the changing process of liquid films on specimen surfaces was predicted，and the simulation prediction of liquid film shape on specimen surfaces is in consistent with in-situ video imaging morphology during the physical tests． KEY WORDS atmospheric corrosion; phase change; liquid films; two-phase flow; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD) 收稿日期: 2014--07--29 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET--10--0224); 中央高校基本科研业务费资助项目(FRF--TP--10--005B); “重大工 程材料服役安全研究评价设施”预研资助项目(YYXM--1412--0001); 高等学校学科创新引智计划资助项目(B12012) 统计表明，金属的大气腐蚀造成的经济损失占金 属总损失量的 50% 以上［1］． 在潮湿的空气中，如果金 属表面的温度低于其存放环境的空气露点温度，金属 的表面就会出现结露现象． 结露是影响表面润湿时间
·722· 工程科学学报，第37卷，第6期 的主要因素.润湿时间是指金属表面吸附水汽形成电 程，把经验关联式和热质传递类比理论关系式作为源 解液膜，并能导致金属大气腐蚀的时间.金属表面液 项施加在靠近冷凝壁面的单元的控制方程上，来实现 膜的存在会对大气中腐蚀性气体的溶解产生影响，进 冷凝过程的数值模拟日：另一种是多相流模型，利 一步影响金属腐蚀速率：而且金属腐蚀速率与金属表 用基本的物理定律计算在冷凝壁面上的热质传 面液膜的成分、厚度及其存在时间密切相关因此，掌 递6-，在有非冷凝性气体存在的两相流边界层分别 握金属在一定的大气环境条件下的表面结露行为、表 建立两相的Navier-Stokes控制方程.由于目前大多数 面液膜变化等信息，对于预测金属的大气腐蚀行为具 的研究主要探索非冷凝性气体对传热效应的影响，并 有重要的指导意义 不关心液膜的厚度及流动，单相流模型在此类问题上 交变湿热实验能够实现金属表面的干湿交替，使 得到广泛的应用.例如，Dehbi等9在用单相流模型 得加速实验结果更加接近自然暴露的实验结果，是大 研究含非冷凝性水蒸气冷凝过程中，忽略了液膜的热 气腐蚀研究中一种常用的加速腐蚀评价方法.由于 阻且假设液膜是静止的：S汕等m假设液膜对传热不产 大/全尺寸构件样品本身的材质、热容、热传导性能、表 生影响并且液膜在冷凝的过程中被撤离，数值模拟得 面状况、结构特征等影响因素的复杂性，大尺寸复杂构 到的温度、速度分量、空气质量分数和传热系数的分布 件将显著提高实验仓内样品附近局部环境的不可知 与实验结果吻合较好.然而，对于需要研究液膜蒸发 性，此情况下加速实验的等效性问题将尤为突出.准 和液膜流动的工况来说，单相流模型无法满足需求 确预测和合理控制实验仓内样品附近局域环境的动态 两相流模型能够更加准确的模拟相变，并能模拟单相 变化及何时结露、积露时间、何时蒸发、蒸发时间等相 流模型无法模拟的液膜变化，但因其控制方程多及网 变行为，使得加速实验能更加准确模拟/加速模拟构件 格质量要求高而未能在工程上得到广泛应用.2011年 在自然环境下的大气腐蚀过程，减小环境适应性实验 l2月ANSYS公司首次实现Eulerian Wall Film(EWF) 的盲目性，降低实验风险，有助于加深对金属构件自然 模型的模块化.EW℉模型是多相流模型中新的子模 环境腐蚀行为及其影响因素的认识 型，用来预测液滴在壁面堆积后形成的液膜，包括液体 实验仓内湿空气在样品表面冷凝的过程是被国内 飞溅、颗粒成带状以及液膜在壁面边缘分离.2012年 外广泛研究的含非冷凝性气体水蒸气冷凝的过程.在 11月在此模型的基础上增加了壁面薄膜的蒸发和冷 水蒸气的冷凝过程中，由于非冷凝性气体的存在，导致 凝，使得该模型能够模拟预测因相变而引起的壁面液 传热能力的恶化.研究含非冷凝性气体水蒸气的 膜生成和流动.EW℉模型的优点在于对壁面薄液膜 冷凝过程的传统方法主要有两种：经验关联式法和理 进行了简化处理，壁面液膜的厚度由液膜的连续方程 论分析法.根据实验结果得出的经验关联式在实验条 求解得到，与壁面附近的法向网格尺寸无关，因此大大 件范围内有较高的适用性，但是当经验关联式超出实 减小了对壁面附近网格尺寸的要求，使得该模型既克 验条件范围的情况下就会严重恶化5).常用的理论 服了单相流的缺点，又有可能在工程上得到广泛应用. 分析方法主要有两种：基于热质传递类比的理论模 因此，我们可以用EWF模型来模拟预测环境实验仓内 型以及旨在求解扩散层和液膜的控制方程的理论 样品表面湿空气的相变以及壁面薄液膜的变化.经过 模型0网.前者得到的理论公式与经验关联式类似： 大量的文献查阅，到目前为止，还未发现有学者报道过 但与经验关联式不同的是，该公式根据热质传递类比 该模型在该领域的应用. 理论推出，应用上依然存在一定的局限性.后者的模 徐乃欣等1四曾利用自搭建的、能直接观察和记 型从理论上来说最全面最完整，它考虑两相流、层流、 录金属表面结露过程的实验室装置，研究灰尘、盐沾污 湍流结构和波浪状的影响等：但该模型非常复杂，很难 等因素对金属表面结露行为的影响，从而加深对金属 应用到工况复杂的工程中.到目前为止，经验关联式 大气腐蚀初期过程的认识.然而到目前为止，利用 和理论分析都具有一定的局限性，无法在工程上广泛 CFD软件预测金属表面结露行为来研究金属大气腐 应用.数值模拟方法是相对较新的研究方法，它是依 蚀的文章很少见报道.本团队曾用LUENT中单相流 据上述传统方法获得的经验关联式和理论公式建立模 模型预测了德国BINDER温湿箱内试件的结露行为并 型进行数值分析和计算.对于工程应用来说，数值模 加以实验验证，研究了被测样品的尺寸和材质对其表 拟方法是获得或者评价数据最经济和快速的方法，而 面能否结露、何时结露以及积露时间的影响圆.在此 且能够获得实验中很难获得水蒸气冷凝过程中的动态 基础上，深入分析模拟结果与实验结果的偏差，进一步 参数. 完善相变模型，提出用EWF模型来同时模拟预测自行 目前研究含非冷凝性气体水蒸气的冷凝过程的数 搭建的综合环境模拟实验仓中的样品表面相变行为和 值模拟方法一计算流体动力学(CFD)方法主要有两 相变之后液膜的流动，通过实验研究对比单相流模型 种：一种是单相流模型，利用成熟的热质传递积分方 和两相流EWF模型的精确性，并对一定时间内冷凝相
工程科学学报，第 37 卷，第 6 期 的主要因素． 润湿时间是指金属表面吸附水汽形成电 解液膜，并能导致金属大气腐蚀的时间． 金属表面液 膜的存在会对大气中腐蚀性气体的溶解产生影响，进 一步影响金属腐蚀速率;而且金属腐蚀速率与金属表 面液膜的成分、厚度及其存在时间密切相关． 因此，掌 握金属在一定的大气环境条件下的表面结露行为、表 面液膜变化等信息，对于预测金属的大气腐蚀行为具 有重要的指导意义． 交变湿热实验能够实现金属表面的干湿交替，使 得加速实验结果更加接近自然暴露的实验结果，是大 气腐蚀研究中一种常用的加速腐蚀评价方法． 由于 大/全尺寸构件样品本身的材质、热容、热传导性能、表 面状况、结构特征等影响因素的复杂性，大尺寸复杂构 件将显著提高实验仓内样品附近局部环境的不可知 性，此情况下加速实验的等效性问题将尤为突出． 准 确预测和合理控制实验仓内样品附近局域环境的动态 变化及何时结露、积露时间、何时蒸发、蒸发时间等相 变行为，使得加速实验能更加准确模拟/加速模拟构件 在自然环境下的大气腐蚀过程，减小环境适应性实验 的盲目性，降低实验风险，有助于加深对金属构件自然 环境腐蚀行为及其影响因素的认识． 实验仓内湿空气在样品表面冷凝的过程是被国内 外广泛研究的含非冷凝性气体水蒸气冷凝的过程． 在 水蒸气的冷凝过程中，由于非冷凝性气体的存在，导致 传热能力的恶化［2--4］． 研究含非冷凝性气体水蒸气的 冷凝过程的传统方法主要有两种:经验关联式法和理 论分析法． 根据实验结果得出的经验关联式在实验条 件范围内有较高的适用性，但是当经验关联式超出实 验条件范围的情况下就会严重恶化［5--7］． 常用的理论 分析方法主要有两种:基于热质传递类比的理论模 型［8--9］以及旨在求解扩散层和液膜的控制方程的理论 模型［10--12］． 前者得到的理论公式与经验关联式类似; 但与经验关联式不同的是，该公式根据热质传递类比 理论推出，应用上依然存在一定的局限性． 后者的模 型从理论上来说最全面最完整，它考虑两相流、层流、 湍流结构和波浪状的影响等;但该模型非常复杂，很难 应用到工况复杂的工程中． 到目前为止，经验关联式 和理论分析都具有一定的局限性，无法在工程上广泛 应用． 数值模拟方法是相对较新的研究方法，它是依 据上述传统方法获得的经验关联式和理论公式建立模 型进行数值分析和计算． 对于工程应用来说，数值模 拟方法是获得或者评价数据最经济和快速的方法，而 且能够获得实验中很难获得水蒸气冷凝过程中的动态 参数． 目前研究含非冷凝性气体水蒸气的冷凝过程的数 值模拟方法———计算流体动力学(CFD)方法主要有两 种:一种是单相流模型，利用成熟的热质传递积分方 程，把经验关联式和热质传递类比理论关系式作为源 项施加在靠近冷凝壁面的单元的控制方程上，来实现 冷凝过程的数值模拟［13--15］;另一种是多相流模型，利 用基 本 的 物 理 定 律 计 算 在 冷 凝 壁 面 上 的 热 质 传 递［16--18］，在有非冷凝性气体存在的两相流边界层分别 建立两相的 Navier--Stokes 控制方程． 由于目前大多数 的研究主要探索非冷凝性气体对传热效应的影响，并 不关心液膜的厚度及流动，单相流模型在此类问题上 得到广泛的应用． 例如，Dehbi 等［19］在用单相流模型 研究含非冷凝性水蒸气冷凝过程中，忽略了液膜的热 阻且假设液膜是静止的;Su 等［20］假设液膜对传热不产 生影响并且液膜在冷凝的过程中被撤离，数值模拟得 到的温度、速度分量、空气质量分数和传热系数的分布 与实验结果吻合较好． 然而，对于需要研究液膜蒸发 和液膜流动的工况来说，单相流模型无法满足需求． 两相流模型能够更加准确的模拟相变，并能模拟单相 流模型无法模拟的液膜变化，但因其控制方程多及网 格质量要求高而未能在工程上得到广泛应用． 2011 年 12 月 ANSYS 公司首次实现 Eulerian Wall Film (EWF) 模型的模块化． EWF 模型是多相流模型中新的子模 型，用来预测液滴在壁面堆积后形成的液膜，包括液体 飞溅、颗粒成带状以及液膜在壁面边缘分离． 2012 年 11 月在此模型的基础上增加了壁面薄膜的蒸发和冷 凝，使得该模型能够模拟预测因相变而引起的壁面液 膜生成和流动． EWF 模型的优点在于对壁面薄液膜 进行了简化处理，壁面液膜的厚度由液膜的连续方程 求解得到，与壁面附近的法向网格尺寸无关，因此大大 减小了对壁面附近网格尺寸的要求，使得该模型既克 服了单相流的缺点，又有可能在工程上得到广泛应用． 因此，我们可以用 EWF 模型来模拟预测环境实验仓内 样品表面湿空气的相变以及壁面薄液膜的变化． 经过 大量的文献查阅，到目前为止，还未发现有学者报道过 该模型在该领域的应用． 徐乃欣等［21--22］曾利用自搭建的、能直接观察和记 录金属表面结露过程的实验室装置，研究灰尘、盐沾污 等因素对金属表面结露行为的影响，从而加深对金属 大气腐 蚀 初 期 过 程 的 认 识． 然 而 到 目 前 为 止，利 用 CFD 软件预测金属表面结露行为来研究金属大气腐 蚀的文章很少见报道． 本团队曾用 FLUENT 中单相流 模型预测了德国 BINDER 温湿箱内试件的结露行为并 加以实验验证，研究了被测样品的尺寸和材质对其表 面能否结露、何时结露以及积露时间的影响［23］． 在此 基础上，深入分析模拟结果与实验结果的偏差，进一步 完善相变模型，提出用 EWF 模型来同时模拟预测自行 搭建的综合环境模拟实验仓中的样品表面相变行为和 相变之后液膜的流动，通过实验研究对比单相流模型 和两相流 EWF 模型的精确性，并对一定时间内冷凝相 ·722·
陈洁等：基于两相流EWF模型的样品表面相变行为及液膜变化的C℉D预测 ·723· 变的结露量进行定量模拟，通过实验验证所提出的结 露量公式的正确性，并将自定义的结露量公式与EW℉ 2-2)+9+mL(T.)]= 模型相结合，进一步预测样品表面液膜变化，为金属大 气腐蚀研究提供有力的表面液膜物理变化过程的 支撑 式中：T,为平均液膜温度，在方程中是一个因变量：T 和T。分别为气液交界面的温度和壁面温度，很明显， 1CFD方法 液膜在厚度方向的温度分布被假设为线性分段关系， 采用商用CFD软件FLUENT进行仿真模拟，对湍 液膜的下半部分温度变化从T.到T,上半部分温度分 流流场的计算采用目前应用广泛的Renoldys平均法 布从T到T:C。为液膜比热容：k为液膜换热系数： (RANS),其中关于封闭时均方程所补充的ke湍流模 9,为本体气流中液体撞击壁面的源项；m,为液膜蒸 型，比较成熟的主要有Standard k-e模型P、RNGk-e 发和凝结速度：L为相变潜热. 模型P和Realizablek一e模型.通过对三种模型的 方程(1)和方程(2)构成了EW下模型的基础方 分析和模拟结果的对比，针对自行搭建的综合环境模 程，当需要考虑热量传递时同时求解方程(3).这些方 拟实验仓内流场，最终选用了Standardk一e双方程控 程在设置壁面WALL边界条件的表面上求解，因为 制模型.根据实验仓以及样品的几何结构特点，为保 EW℉模型假设壁面液膜很薄，润滑近似（平行流动）是 证计算精度，采用完全结构化网格的划分方式.由于 合理的，因此这些方程在平行于表面的局部坐标上 试样表面附近存在较大的温湿度梯度，且为重点研究 求解 对象，因此在试样壁面附近进行局部加密，并对其网格 1.2结露量 无关性进行了验证.在近壁面区域采用标准壁面函数 对于含非冷凝性气体的湿空气冷凝速度，研究者 法进行处理，考虑组分输送模型，壁面液膜采用多相流 们提出了大量的经验关联式，这些关联式大多比较 EWF模型处理，采用压力基求解器进行求解. 简略，且有其特定的工况适用范围，难以运用到水蒸气 1.1两相流EWF模型 含量很小的湿空气中.在众多的蒸发冷凝气液相变模 型中-0，Lee的模型得到最为广泛的应用2-.本文 薄液膜假设是两相流EWF模型用到的一种假设， 其条件是液膜的厚度比表面曲率半径小，使得液膜在 类比Lee相变模型定义相变速度w(S,t)为 厚度方向的属性不会发生变化，并且生成的液膜足够 w(S,）=ap(0.T(0-T0 (4) 薄，以便液膜可以被认为是以假定的二次方形平行于 T(t） 式中：S为面积，m2:o(S,t)为t时刻单位面积的相变 壁面流动. 在一个三维计算域内二维液膜的质量守恒方程为 速度，gm2·s;a为相变强度因子，ms1,常数； p(t)指t时刻水蒸气密度，g°m3:T(t)和T(）分别 驶+W-交 (1) 为t时刻露点温度和壁面温度，℃. P 式中，h为液膜高度，l为时间，Vs为表面梯度运算，V, 因此，当T()大于T(t)时，样品表面任意微元 dS的结露速度dm为 为平均液膜速度，P,为液体密度，m,为因液滴聚集、液 dm =wdS (5) 膜分离和脱落以及相变引起的每个单位壁面面积上的 先后对样品面积和时间积分得到：时间内样品表 质量源项 面的结露量： 液膜动量守恒方程如下： hY+了s(hV)）= am=∫d∫ods=a∫山po.0-r -·dS. T(t） +普+县 (6) (2) P 2仿真模型实验 式中，P代表气流压力、垂直于壁面的重力分量（被称 为散布)以及表面张力的影响，g,为液膜平行方向的 2.1实验介绍 重力效应，：和∫，分别为气液界面的黏性剪切力和固 2.1.1HTP020综合模拟实验仓简介 体表面阻力，叫，为液膜间的黏滞力，9代表液滴聚集或 为了探索温湿箱内仿真预测模型的搭建并对其进 者分离的动量源项 行推广，研究组联合重庆五环实验仪器有限公司设计 液膜能量守恒方程如下： 搭建了HTP-O20综合模拟实验仓B,来验证所建仿 a(hT) 真模型的正确性 +Vs…(VhT)= HTP020综合模拟实验仓外观结构如图1所示
陈 洁等: 基于两相流 EWF 模型的样品表面相变行为及液膜变化的 CFD 预测 变的结露量进行定量模拟，通过实验验证所提出的结 露量公式的正确性，并将自定义的结露量公式与 EWF 模型相结合，进一步预测样品表面液膜变化，为金属大 气腐蚀研究提供有力的表面液膜物理变化过程的 支撑． 1 CFD 方法 采用商用 CFD 软件 FLUENT 进行仿真模拟，对湍 流流场的计算采用目前应用广泛的 Renoldys 平均法 (RANS)，其中关于封闭时均方程所补充的 k-ε 湍流模 型，比较成熟的主要有 Standard k--ε 模型［24］、RNG k--ε 模型［25］和 Realizable k--ε 模型［26］． 通过对三种模型的 分析和模拟结果的对比，针对自行搭建的综合环境模 拟实验仓内流场，最终选用了 Standard k--ε 双方程控 制模型． 根据实验仓以及样品的几何结构特点，为保 证计算精度，采用完全结构化网格的划分方式． 由于 试样表面附近存在较大的温湿度梯度，且为重点研究 对象，因此在试样壁面附近进行局部加密，并对其网格 无关性进行了验证． 在近壁面区域采用标准壁面函数 法进行处理，考虑组分输送模型，壁面液膜采用多相流 EWF 模型处理，采用压力基求解器进行求解． 1. 1 两相流 EWF 模型 薄液膜假设是两相流 EWF 模型用到的一种假设， 其条件是液膜的厚度比表面曲率半径小，使得液膜在 厚度方向的属性不会发生变化，并且生成的液膜足够 薄，以便液膜可以被认为是以假定的二次方形平行于 壁面流动． 在一个三维计算域内二维液膜的质量守恒方程为 h t + Δ s·(h·Vl) = m · s ρl ． (1) 式中，h 为液膜高度，t 为时间， Δ s 为表面梯度运算，Vl 为平均液膜速度，ρl 为液体密度，m · s 为因液滴聚集、液 膜分离和脱落以及相变引起的每个单位壁面面积上的 质量源项． 液膜动量守恒方程如下: h·Vl t + Δ s·(h·Vl ·Vl) = h· Δ s·PL ρl + gτh + 3 2ρl τfs － 3νl h Vl + q · ρl ． (2) 式中，PL 代表气流压力、垂直于壁面的重力分量(被称 为散布)以及表面张力的影响，gτ 为液膜平行方向的 重力效应，τ 和 fs 分别为气液界面的黏性剪切力和固 体表面阻力，νl 为液膜间的黏滞力，q · 代表液滴聚集或 者分离的动量源项． 液膜能量守恒方程如下: (hTl) t + Δ s·(VlhTl) = 1 ρlc [ p kl ( Ts － Tl h /2 － Tl － Tw h / ) 2 + q · imp + m · vapL(Ts ] ) = 1 ρlc [ p 2kl ( Ts + Tw h － 2Tl ) h + q · imp + m · vapL(Ts ] ) ． (3) 式中:Tl 为平均液膜温度，在方程中是一个因变量;Ts 和 Tw 分别为气液交界面的温度和壁面温度，很明显， 液膜在厚度方向的温度分布被假设为线性分段关系， 液膜的下半部分温度变化从 Tw 到 Tl，上半部分温度分 布从 Tl 到 Tw ;cp 为液膜比热容;kl 为液膜换热系数; q · imp为本体气流中液体撞击壁面的源项;m · vap为液膜蒸 发和凝结速度;L 为相变潜热． 方程(1) 和方程(2) 构成了 EWF 模型的基础方 程，当需要考虑热量传递时同时求解方程(3)． 这些方 程在设置壁面 WALL 边界条件的表面上求解，因为 EWF 模型假设壁面液膜很薄，润滑近似(平行流动)是 合理的，因此这些方程在平行于表面的局部坐标上 求解． 1. 2 结露量 对于含非冷凝性气体的湿空气冷凝速度，研究者 们提出了大量的经验关联式［27--28］，这些关联式大多比较 简略，且有其特定的工况适用范围，难以运用到水蒸气 含量很小的湿空气中． 在众多的蒸发冷凝气液相变模 型中［29--31］，Lee 的模型得到最为广泛的应用［32--33］． 本文 类比 Lee 相变模型定义相变速度 w(S，t)为 w(S，t) = α·ρ(t)·Tdew (t) － T(t) Tdew (t) ． (4) 式中:S 为面积，m2 ;w( S，t)为 t 时刻单位面积的相变 速度，g·m － 2 ·s － 1 ;α 为相变强度因子，m·s － 1 ，常数; ρ(t)指 t 时刻水蒸气密度，g·m － 3 ;Tdew ( t)和 T( t)分别 为 t 时刻露点温度和壁面温度，℃ ． 因此，当 Tdew (t)大于 T( t)时，样品表面任意微元 dS 的结露速度 dm 为 dm = w·dS． (5) 先后对样品面积和时间积分得到 t 时间内样品表 面的结露量: Δm = ∫ t dt ∫ S w·dS = α ∫ t dt ∫ S ρ(t)·Tdew (t) － T(t) Tdew (t) ·dS． (6) 2 仿真模型实验 2. 1 实验介绍 2. 1. 1 HTP--020 综合模拟实验仓简介 为了探索温湿箱内仿真预测模型的搭建并对其进 行推广，研究组联合重庆五环实验仪器有限公司设计 搭建了 HTP--020 综合模拟实验仓［34］，来验证所建仿 真模型的正确性． HTP--020 综合模拟实验仓外观结构如图 1 所示． ·723·
·724· 工程科学学报，第37卷，第6期 采取上入风和下回风的送风组织形式，工作室入风口 品被悬挂于HTPO20实验仓中心部位，样品的空间边 处空气流速分布比较均匀，风向可通过入风口处百叶 界模型如图2所示 窗调节.HTPO20实验仓的环境控制可采取程序运行 方式，反馈调节实现环境按设定程序变化，环境控制更 为精确灵活，温湿度变化边界更为明确 图2样品在HTP020实验仓中的空间边界模型 Fig.2 Spatial boundary modeling of the HTP-020 chamber which including a specimen 2.1.2温湿度测量 相变发生时，由于试样表面附近空气存在很大温 度梯度，试样表面附近区域的相对湿度值相应也会发 图1自搭建的HTP-020综合环境模拟实验仓外观 生刷烈变化，而当前主流的湿度传感器由于尺寸大，很 Fig.1 Appearance of the self-constructed HTP-020 comprehensive 难靠近试样表面，从而无法准确地测量试样表面相对 environmental simulated chamber 湿度，因此采用自主开发的组合型传感器的来监测样 品表面的温湿度陶.在样品的六个表面中心均布置 构建HTP020实验仓并利用其开展环境精确数 值仿真研究的优势在于以下几个方面：①作为 了温湿度传感器，监测点1、2、3、4、5和6的分布如图3 所示.在实验仓的左侧装有原位摄像系统用来捕捉液 HTPO20实验仓的联合设计方，本研究组了解该设备 的所有边界条件的详细情况，包括仓体的选材与结构 膜形态 设计、控制参数、送风组织方式等，较商用成品环境模 拟实验设备的边界条件更为清晰，便于与仿真建模模 拟相对接，开展实验验证研究.②作为研究用环境模 拟实验装置，在搭建中充分考虑到了开展与仿真预测 对比研究所需的灵活性，在送风速率与角度、送风口及 回风口尺寸与位置、甚至实验仓有效工作尺寸等均可 根据需要进行调整；因采用了分体结构设计，左侧是工 图3样品表面监测点分布示意图 作室，右侧是控制室，工作室和控制室间采用方形管道 Fig.3 Distributional sketch of monitoring points on specimen sur- 的可拆卸连接方式，甚至可以在不更换控制室的情况 faces 下单独更换工作室以对比研究不同仓体结构中的精确 2.1.3结露量测量 环境模拟情况.③该环境仓可模拟工程构件的多种力 为原位测量样品表面结露量随实验时间的变化关 化耦合综合环境，包括温湿度、淋雨、污染性气氛，并配 系，经反复测实验证，设计了如图4所示的露水收集测 有力学加载孔来耦合力学加载服役条件.④HTPO20 量装置，包括漏斗式露水汇集器、收集容器、挡风罩和 实验仓装置的工作仓尺寸较大（内部尺寸1970mm× 电子天平.其中电子天平用数据传输线与电脑连接后 1300mm×800mm),可满足小型工程材料/构件的环 能够实现数据同步显示与记录：挡风罩用来消除环境 境适应性测试需求 仓内空气流动对天平测量的干扰，同时起到固定漏斗 本研究实验样品尺寸为150mm×110mm× 汇集器的作用：漏斗汇集器与其下部的收集容器间不 100mm,材质为6061铝合金，环境模拟工况见表1，样 发生物理接触：在挡风罩上加一层隔热罩，防止高温对 表1实验环境模拟工况 天平以及露水质量的影响.实验时该装置放在试样下 Table 1 Simulated condition of test environment 方，自样品表面滑落的露水经漏斗汇集器落入收集容 样品放置 温度变化 升温速度/ 相对 器中，电子天平实时记录和显示收集到的露水质量 倾角/() 范围℃ (℃minl) 湿度/% 在上述设定的实验条件下，经多次实验确认，在本实验 20 30-70 2 80 条件下，天平及露水收集装置自身不会产生结露现象， 实验中天平可正常工作，且每次测量结束后都会对天
工程科学学报，第 37 卷，第 6 期 采取上入风和下回风的送风组织形式，工作室入风口 处空气流速分布比较均匀，风向可通过入风口处百叶 窗调节． HTP--020 实验仓的环境控制可采取程序运行 方式，反馈调节实现环境按设定程序变化，环境控制更 为精确灵活，温湿度变化边界更为明确． 图 1 自搭建的 HTP--020 综合环境模拟实验仓外观 Fig． 1 Appearance of the self-constructed HTP--020 comprehensive environmental simulated chamber 构建 HTP--020 实验仓并利用其开展环境精确数 值仿 真 研 究 的 优 势 在 于 以 下 几 个 方 面: ① 作 为 HTP--020实验仓的联合设计方，本研究组了解该设备 的所有边界条件的详细情况，包括仓体的选材与结构 设计、控制参数、送风组织方式等，较商用成品环境模 拟实验设备的边界条件更为清晰，便于与仿真建模模 拟相对接，开展实验验证研究． ②作为研究用环境模 拟实验装置，在搭建中充分考虑到了开展与仿真预测 对比研究所需的灵活性，在送风速率与角度、送风口及 回风口尺寸与位置、甚至实验仓有效工作尺寸等均可 根据需要进行调整;因采用了分体结构设计，左侧是工 作室，右侧是控制室，工作室和控制室间采用方形管道 的可拆卸连接方式，甚至可以在不更换控制室的情况 下单独更换工作室以对比研究不同仓体结构中的精确 环境模拟情况． ③该环境仓可模拟工程构件的多种力 化耦合综合环境，包括温湿度、淋雨、污染性气氛，并配 有力学加载孔来耦合力学加载服役条件． ④HTP--020 实验仓装置的工作仓尺寸较大(内部尺寸 1970 mm × 1300 mm × 800 mm)，可满足小型工程材料/构件的环 境适应性测试需求． 本研究实验样品尺寸为 150 mm × 110 mm × 100 mm，材质为 6061 铝合金，环境模拟工况见表 1，样 表 1 实验环境模拟工况 Table 1 Simulated condition of test environment 样品放置 倾角/(°) 温度变化 范围/℃ 升温速度/ (℃·min － 1 ) 相对 湿度/% 20 30 ～ 70 2 80 品被悬挂于 HTP--020 实验仓中心部位，样品的空间边 界模型如图 2 所示． 图 2 样品在 HTP--020 实验仓中的空间边界模型 Fig． 2 Spatial boundary modeling of the HTP--020 chamber which including a specimen 2. 1. 2 温湿度测量 相变发生时，由于试样表面附近空气存在很大温 度梯度，试样表面附近区域的相对湿度值相应也会发 生剧烈变化，而当前主流的湿度传感器由于尺寸大，很 难靠近试样表面，从而无法准确地测量试样表面相对 湿度，因此采用自主开发的组合型传感器的来监测样 品表面的温湿度［35］． 在样品的六个表面中心均布置 了温湿度传感器，监测点 1、2、3、4、5 和 6 的分布如图 3 所示． 在实验仓的左侧装有原位摄像系统用来捕捉液 膜形态． 图 3 样品表面监测点分布示意图 Fig． 3 Distributional sketch of monitoring points on specimen surfaces 2. 1. 3 结露量测量 为原位测量样品表面结露量随实验时间的变化关 系，经反复测实验证，设计了如图 4 所示的露水收集测 量装置，包括漏斗式露水汇集器、收集容器、挡风罩和 电子天平． 其中电子天平用数据传输线与电脑连接后 能够实现数据同步显示与记录;挡风罩用来消除环境 仓内空气流动对天平测量的干扰，同时起到固定漏斗 汇集器的作用;漏斗汇集器与其下部的收集容器间不 发生物理接触;在挡风罩上加一层隔热罩，防止高温对 天平以及露水质量的影响． 实验时该装置放在试样下 方，自样品表面滑落的露水经漏斗汇集器落入收集容 器中，电子天平实时记录和显示收集到的露水质量． 在上述设定的实验条件下，经多次实验确认，在本实验 条件下，天平及露水收集装置自身不会产生结露现象， 实验中天平可正常工作，且每次测量结束后都会对天 ·724·
陈洁等：基于两相流EWF模型的样品表面相变行为及液膜变化的C℉D预测 ·725· 平进行比较校正，以保证测试结果的准确可靠 30℃均匀升至70℃后保持不变，相对湿度保持 80%,温湿度随时间变化规律仿真时通过用户自定 义函数(UDF)编程输入边界条件：出风口边界类型 设为PRESSURE_OUTLET,出口压力为101.325kPa: 腔壁边界类型设为WALL,由于腔壁材料保温性能良 好，它的密度、比热容和导热系数很小，通过保温层 散失的热量可忽略不计，为简化计算将其处理为绝 1一漏斗式露水汇集器：2一收集容器：3一挡风罩：4一电子天平： 热壁面.样品表面边界类型设为WALL,该处换热由 5一电脑 热传导和对流换热耦合作用，但两种模型有微小的 图4露水收集测量装置示意图 区别，使用EWF模型模拟时，必须在指定样品壁面 Fig.4 Sketch of the device used in dew collection and test WALL上选择参与EWF模型，并设初始壁面液膜参 2.2单相流模型与EWF模型对比验证 数为零（表示初始状态没有液膜）.两种模型的初始 仔细观察文献23]中BINDER温湿箱内样品仿 条件相同，升温增湿阶段前，实验箱恒温恒湿时间不 真与实测对比结果，发现样品上结露的模拟温度在某 小于20h,以保证实验仓内各部分温度均为30℃，空 段时间内总比实测温度曲线低.为了更加准确预测和 气的相对湿度为80%，即初始条件为温度303.15K、 合理控制HTP020实验仓内样品附近局域环境的动 水蒸气质量分数0.02102(30℃、80%相对湿度对应 态变化及相变过程，分析了单相流模型出现较大误差 水蒸气含量). 的原因，并量化对比了单相流模型与两相流EW℉模型 HTPO20实验仓内样品六个面测量得到的温湿 的精确性. 度变化如图5所示.由于铝合金体积所占实验仓空间 两种模型的对比验证实验工况如表1所示.两 比例小，样品局部环境比较均匀，加之铝合金导热系数 种模型的入风口、出风口以及腔壁边界条件相同，入 大，样品的六个监测点温湿度变化规律比较接近.因 风口边界类型设为VELOCITY_.INLET,空气垂直侧壁 此，样品温湿度变化的模拟实测对比只以监测点2为 进入腔内，平均风速11m·s,风温在前1200s内由 代表进行说明，如图6所示. a 70 ) 100 60 95 40 5 80 30 人kw 2 2 监测点 监测点 5000 10000150002000025000 5000 10000150002000025000 时向s 时向/ 图5样品表面各监测点实测温湿度随时间变化曲线.()温度：(b)湿度 Fig.5 Change curves of measured temperature (a)and humidity (b)with time at each monitoring point on specimen surfaces 从图6(a)可知，单相流模型的温度模拟曲线同 偏差较大.从图6(b)以及表2可以看出，考虑相变 实测曲线相比，少了一个“凸起”部分，相应的湿度模 过程的EW℉模型的温湿度模拟曲线与实测的温湿 拟曲线与实测曲线相比，模拟的水蒸气凝结时间偏 度曲线在整个实验阶段均比单相流模型吻合得好， 长.在相变过程中，水蒸气变为液态水（图6(a)中虚 模拟的温湿度与实测的温湿度偏差方差分别从单相 线方框标明时间段)会释放大量热，使结露位置附近 流模型的5.664和1.893下降到EWF模型的0.119 温度升高；反之当露水开始蒸发吸收热量时，又会降 和0.509：EWF模型的结露开始时刻和结露停止时 低对应位置的温度.同时，空气中水蒸气质量分数也 刻的相对误差比单相流模型也有显著下降，尤其是 会发生变化，从而导致水蒸气相对湿度发生变化.单 结露停止时刻的相对误差，从单相流模型的0.756 相流模型正是因为没有考虑相变引起的水蒸气质量 减小到EWF模型的0.077.这些说明EW℉模型能够 分数和热量变化，从而造成温湿度模拟与实测结果 更准确地模拟环境适应性实验中样品何时结露及结
陈 洁等: 基于两相流 EWF 模型的样品表面相变行为及液膜变化的 CFD 预测 平进行比较校正，以保证测试结果的准确可靠． 1—漏斗式露水汇集器;2—收集容器;3—挡风罩;4—电子天平; 5—电脑 图 4 露水收集测量装置示意图 Fig． 4 Sketch of the device used in dew collection and test 2. 2 单相流模型与 EWF 模型对比验证 仔细观察文献［23］中 BINDER 温湿箱内样品仿 真与实测对比结果，发现样品上结露的模拟温度在某 段时间内总比实测温度曲线低． 为了更加准确预测和 合理控制 HTP--020 实验仓内样品附近局域环境的动 态变化及相变过程，分析了单相流模型出现较大误差 的原因，并量化对比了单相流模型与两相流 EWF 模型 的精确性． 两种模型的对比验证实验工况如表 1 所示． 两 种模型的入风口、出风口以及腔壁边界条件相同，入 风口边界类型设为 VELOCITY_INLET，空气垂直侧壁 进入腔内，平均风速 11 m·s － 1 ，风温在前 1200 s 内由 30 ℃ 均 匀 升 至 70 ℃ 后 保 持 不 变，相 对 湿 度 保 持 80% ，温湿度随时间变化规律仿真时通过用户自定 义函数(UDF) 编程输入边界条件;出风口边界类型 设为 PRESSURE_OUTLET，出口压力为 101. 325 kPa; 腔壁边界类型设为 WALL，由于腔壁材料保温性能良 好，它的密度、比热容和导热系数很小，通过保温层 散失的热量可忽略不计，为简化计算将其处理为绝 热壁面． 样品表面边界类型设为 WALL，该处换热由 热传导和对流换热耦合作用，但两种模型有微小的 区别，使用 EWF 模型模拟时，必须在指定样品壁面 WALL 上选择参与 EWF 模型，并设初始壁面液膜参 数为零(表示初始状态没有液膜) ． 两种模型的初始 条件相同，升温增湿阶段前，实验箱恒温恒湿时间不 小于 20 h，以保证实验仓内各部分温度均为 30 ℃ ，空 气的相对湿度为 80% ，即初始条件为温度 303. 15 K、 水蒸气质量分数 0. 02102 (30 ℃ 、80% 相对湿度对应 水蒸气含量) ． HTP--020 实验仓内样品六个面测量得到的温湿 度变化如图 5 所示． 由于铝合金体积所占实验仓空间 比例小，样品局部环境比较均匀，加之铝合金导热系数 大，样品的六个监测点温湿度变化规律比较接近． 因 此，样品温湿度变化的模拟实测对比只以监测点 2 为 代表进行说明，如图 6 所示． 图 5 样品表面各监测点实测温湿度随时间变化曲线． (a) 温度; (b) 湿度 Fig． 5 Change curves of measured temperature (a) and humidity (b) with time at each monitoring point on specimen surfaces 从图 6( a)可知，单相流模型的温度模拟曲线同 实测曲线相比，少了一个“凸起”部分，相应的湿度模 拟曲线与实测曲线相比，模拟的水蒸气凝结时间偏 长． 在相变过程中，水蒸气变为液态水(图 6( a)中虚 线方框标明时间段)会释放大量热，使结露位置附近 温度升高;反之当露水开始蒸发吸收热量时，又会降 低对应位置的温度． 同时，空气中水蒸气质量分数也 会发生变化，从而导致水蒸气相对湿度发生变化． 单 相流模型正是因为没有考虑相变引起的水蒸气质量 分数和热量变化，从而造成温湿度模拟与实测结果 偏差较大． 从图 6( b) 以及表 2 可以看出，考虑相变 过程的 EWF 模型的温湿度模拟曲线与实测的温湿 度曲线在整个实验阶段均比单相流模型吻合得好， 模拟的温湿度与实测的温湿度偏差方差分别从单相 流模型的 5. 664 和 1. 893 下降到 EWF 模型的 0. 119 和 0. 509;EWF 模型的结露开始时刻和结露停止时 刻的相对误差比单相流模型也有显著下降，尤其是 结露停止 时 刻 的 相 对 误 差，从 单 相 流 模 型 的 0. 756 减小到 EWF 模型的 0. 077． 这些说明 EWF 模型能够 更准确地模拟环境适应性实验中样品何时结露及结 ·725·