耦合分析 — 热-流体耦合 — 文章目录
热-流体耦合是流动带来的热输运（对流）与浮力和物性变化驱动的流动相互交织的一类问题。一旦加入相变（沸腾、凝结），潜热的交换与气液界面的运动就占据主导，难度与单相CFD传热不可同日而语。不断提高热流密度时，传热会在临界热流密度（CHF）处急剧恶化，预测这类非线性行为是该领域的目标。
《池沸腾CFD分析》讲解核态沸腾的建模（以气泡脱离直径和汽化核心密度为参数的壁面沸腾模型）以及VOF法与Euler-Euler法的区分使用。《热虹吸管分析》讨论不用泵即可循环的自然循环回路设计，它由密度差驱动，工作点不做分析就无法知道，是典型的例子。两者的验证核心都是与实验关联式的比对。
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- 沸腾传热分析
用算例讲解大气压下水的饱和池沸腾。Rohsenow式给出壁面过热度10 K时0.14 MW/m²、20 K时1.1 MW/m²，按三次方增长；Zuber临界热流密度为1.26 MW/m²（过热度约21 K）。 - 凝结传热分析
用Nusselt理论计算大气压水蒸气的膜状凝结。温差10 K时，高0.1 m的壁面为11,400 W/m²K，1 m时液膜变厚降到6,400 W/m²K，考虑液膜波动1 m时提高19%。 - 共轭传热分析
计算下表面以2000 W/m²加热、长100 mm的板被2 m/s层流空气冷却的共轭传热。铝板表面温差7 K，几乎均匀，与平均换热系数估算相差6 K。FR-4前缘47℃、后缘186℃，相差139 K， - 极低温热分析（真空绝热储罐的漏热）
用算例讲解液氮、液氢储罐的漏热与蒸发量估算。1 m³球形储罐仅辐射就进入57 W，30层理想辐射屏为1.8 W；同样5 W漏热下液氮每天蒸发0.27%，液氢1.37%；不考虑热导率随温度变化时， - 火灾热流体仿真
用t²火源和MQH公式计算3.6×2.4×2.4 m房间（门0.8×2.0 m，石膏板）的火灾。到轰燃（热烟层温升500 K）的时间：慢速火612秒，快速火178秒，超快速火96秒，此时热释放速率1.1～1.7 MW， - 热管仿真
用算例讲解直径6 mm、长200 mm的铜-水热管。烧结吸液芯的毛细极限水平时54 W，蒸发段在上竖直时仍有37 W；沟槽吸液芯水平时84 W更多，但倾斜30度蒸发段在上就变为0 W。与同粗铜棒相比， - 马兰戈尼对流分析
用算例讲解由表面张力温度差引起的马兰戈尼对流。下方加热的液层中，硅油薄于7.6 mm、水薄于24.7 mm时马兰戈尼对流先于浮力对流发生；2 mm硅油层在0.47 K温差下就开始流动。焊接熔池表面流速达约1.2 m/s， - 混合对流耦合分析
计算高0.5 m、60℃竖直板被20℃空气冷却的混合对流。仅自然对流换热系数为4.95 W/m²K，理查森数为1的风速为0.79 m/s。1 m/s向上流（助流）时为6.60 W/m²K，比仅强制对流估算高20%； - 自然对流-导热耦合
耦合玻璃导热、空气层自然对流和辐射，计算中空玻璃传热系数。空气层越厚越隔热，但超过约16 mm开始对流，传热系数停在2.75 W/m²K。普通玻璃空气层中64%的热量由辐射传递； - 池沸腾CFD分析
计算用CFD求解池沸腾前需掌握的长度与时间尺度。大气压水的毛细长度2.5 mm，接触角45°时脱离直径2.3 mm，脱离频率39 Hz，瑞利-泰勒波长27 mm。用20个网格解析气泡的三维计算约需1.5亿网格， - 喷雾冷却仿真
用算例讲解喷雾冷却基础。带走1 MW/m²，若水完全蒸发只需0.39 kg/s·m²，而升温20 K的单相冷却需要12 kg/s·m²，是31倍。500℃气体中直径30 µm的液滴15 ms蒸发完， - 热羽流分析
用火灾工程关联式计算热源上方的浮力上升流（热羽流）。100 kW火源在高2 m处中心温升135 K、速度3.4 m/s，高5 m处降到29 K，同时卷吸周围空气使流量增到4.4 kg/s。顶棚高3 m时正上方58 K， - 温度分层解析
通过从200 L、高1.5 m储热水箱取出60℃热水的计算说明温度分层的作用：保持分层时水箱容积的99%能以45℃以上使用，完全混合时降到41%。上下混合（有效扩散系数）为水热扩散率的1000倍时为86%。 - 热虹吸管分析
用算例讲解靠重力回流液体的两相热虹吸管（无吸液芯热管）。内径10 mm的水管中，上升蒸汽阻挡回流液体的携带（溢流）极限在40 ℃时为188 W，100 ℃时为521 W，内径20 mm时约为5.7倍； - 二相流热交换器解析
用算例讲解冷凝器、蒸发器等两相流换热器的分析。相变侧温度恒定，效能为1−exp(−NTU)；在制冷剂冷凝器中，过热蒸汽段只占热量的16%却占换热面积的29%，整体按冷凝一并处理会把面积低估约两成。