工件液淬沸腾两相流流动和传热的实验及LBM研究

沸腾流动、传热的模拟仿真一直是淬火乃至其它工业传热计算的一大难题,尽管国内外对其进行了大量研究，但所采用的工件与淬液的换热关联式具有一定的局限性，从而影响了模拟计算的精度。格子Boltzmann 方法（LBM）因其独特的优点为沸腾流动传热的模拟提供了强有力的工具。本项目拟通过对淬火沸腾阶段气泡间相互作用、淬火介质气化相变的吸热、膨胀效应、淬火介质与其气化相与淬火工件表面的润湿、粘附作用的实验研究，揭示淬火沸腾复杂环境中淬火介质沸腾传热的机理；改进热LBM技术的数值稳定性，拓广其在大密度比的两相流条件下的应用；引入自洽外部体积力，实现热LBM 模型的热流耦合；采用基于广义焓的LBM模型处理汽化相变的能量变化；最终从分子动力学角度出发，将淬火工件及介质作为综合研究体系，建立可处理淬火介质气化、气液两相流动、传热及传质的热LBM 介观模型，实现淬火过程的精确模拟仿真及预测。

淬火过程是包含沸腾、流动和传热的、有物态变化的复杂过程，其模拟仿真是传热计算迫切需要解决的问题。研究沸腾传热的数值模拟方法有许多种，在众多的模拟方法中，Lattice Boltzmann method (LBM)具有许多传统的数值方法无法比拟的优点。但目前大多数LBM模型存在着许多不足，例如，两相密度比较大时计算趋于不稳定，难以直接应用于淬火过程沸腾传热计算。本课题创新地采用改进的HSD两相流LBM处理大密度比两相流问题，界面张力的处理采用应力和势能形式，减小了气-液两相大密度比条件下界面处的虚假速度过大而引起的数值不稳定性， 使其适用于大密度比的气液两相流的动力学行为，使模拟结果更接近淬液沸腾流动及传热的真实过程，并通过重力表面波进行了验证；采用多松弛时间模型 （MRT），即，在MRT模型中，碰撞函数引入了碰撞矩阵和对角矩阵（MRT模型的松弛参数），减小了松弛因子的影响，大大提高了大密度比的气液两相LBM的数值稳定性，并探讨了气泡间的相互作用及表面张力对其的影响。采用双分布函数方案构建了热LBM 模型，将能量方程和流动方程分开处理，通过引入新的总能分布函数来模拟能量场的变化，结合多松弛时间模型（MRT）以增加传热、流动计算的数值稳定性。采用MRT-MLBM， 研究了两相流的Rayleigh-Benard对流及其影响因素。通过采用传统的热能守恒方程处理固体内部的热传导及流固传热，初步解决了气液固耦合LBM模型,并尝试了工件放入水中进行淬火的LBM仿真计算，取得了一定的成效。所建立的可处理气化相变、非等温条件下的气、液两相流体流动的LBM 模型，不仅可以用于淬火过程的工艺优化，而且可为解决其它领域，如制冷、核能工业、太空站热能管理系统、空间飞行器液态氢、氧燃料的补给等方面的沸腾传热提供理论支持及技术指导。