三十七、Fluent冰块融化模拟

1. 概念

物质从液态变为固态叫凝固，凝固时要放热。Fluent不仅可以对蒸发-冷凝进行模拟（参见文章十三和文章三十），还可模拟凝固-融化过程。

相较于蒸发-冷凝模型，Fluent中的融化-凝固要简单很多。下面我们以案例进行讲解。

使用限制：

1.只能与基于压力的求解器一起使用；不适用于基于密度的求解器。

2.不能用于可压缩流动。

3.在一般的多相流模型（VOF、Mixture和欧拉）中，只有 VOF 模型可以与凝固/熔化模型一起使用。

2. 模型描述

本例的模型很简单，冰块在高温壁面加热融化，其中底面和右面均为高温壁面，而上面和左面则为绝热壁面。

3. 基本设置

3.1 导入网格：

使用Fluent软件打开Chapter37.msh.gz网格文件，文件在本文末尾链接资源内。

3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸需要将x和y方向同时缩小100倍，关于scale mesh详细设置查看Chapter31 Fluent空化模型

3.3 求解器设置

基于压力求解器，瞬态设置，勾选重力

4. 设置计算模型

4.1 能量方程

打开能量方程

4.2 湍流模型设置

4.3 融化凝固模型

下图为融化凝固模型的界面，相较于蒸发冷凝模型，非常简单，但是理解起来很有意思。

主要参数：Mushy Zone Constant糊状区常数Amush

糊状区常数Amush表示融化过程流动阻力的大小；该值越高，融化或凝固时速度梯度越大。较大的值可能会导致发散。对于大多数计算，建议值介于10000和10000000之间。Amush就是动量源项的一个系数。

关于融化凝固理论问题，内容较多，下一章会详细讲述。

如果使用了组分输运模型，那么融化凝固模型的界面如下。

主要是考虑了溶液的凝固点和熔点不同的原因（纯物质的熔点和凝固点相同），如下图，因此不能像纯物质那样直接通过温度判断融化状态了。

5. 材料设置

5.1 添加water-l材料

单击Fluent Database，找到water-liquid，点击copy

5.2 修改water材料属性

单击copy后，回到water属性设置界面。单击water后的Edit

Solidus Temperature表示固相线温度，对于纯物质即凝固点，Liquidus Temperature表示熔点，对于纯物质，两者相同。对于冰设置为0℃即可。

Pure Solvent Melting Temperature：融化/凝固相变潜热，对于水-冰系统，值为335000J/kg

理论部分下篇文章会详细介绍。

注：

1. 更改温度单位方法

这里为了方便，我们将温度更改为以摄氏度显示。

单击Units，在Quantities找到温度

Units选择C，表示选择摄氏度。单击New，

保持默认，点击ok即可

2. 若使用了多相流，对于不发生相变的物质如空气，其材料属性也会出现Solidus Temperature等参数，如何设置？

对于没有熔化或凝固的相，必须将潜热Pure Solvent Melting Temperature、液相线温度Liquidus Temperature和固相线温度Solidus Temperature设置为0K

6. 计算域设置

由于没有使用多相流模型，因此需要将两个计算域air和ice都更改为Fluid，材料选择water。

选择air_surface，单击Edit

材料选择water，单击apply即可，对ice_surface进行同样的设置。

7. 边界条件设置

单击heat_wall-air_surface，设置边界条件为wall，设置壁面温度为50℃，单击apply。

使用copy方法对heat_wall-ice_surface和right进行复制边界条件，设置相同边界条件。

单击left，设置边界条件为wall，设置绝热壁面。使用copy，对top边界进行同样设置。

8. 求解方法

8.1 求解方法

Solution-Solution Methods

8.2 求解控制

Solution-Solution Controls

保持默认即可

 

8.3 残差设置

残差设置保持默认即可

9. 初始化

由于需要设置流场温度，因此选择标准初始化

单击Initialize后，点击Patch，对冰区域设置温度，选择Temperature，Value设置为-1℃，Zone to patch选择ice_surface。将冰区域温度设置为-1℃

10. 计算设置

Time Step Size设置为0.0001，时间步设置为1000步，每时间步最大迭代次数设置为20.

11. 后处理

11.1 液相体积分数

由于没有打开多相流，相当于冰块在热水中被加热融化。因此周围液相体积分数为1

11.2  液相体积分数动画

11.3 温度分布

原文链接：

三十七、Fluent冰块融化模拟融化凝固只能与基于压力的求解器一起使用；不适用于基于密度的求解器。不能用于可压缩流动。在一般的多相流模型（VOF、Mixture和欧拉）中，只有 VOF 模型可以与凝固/熔化模型一起使用。https://mp.weixin.qq.com/s/kpefthepyn8xk4P7STbYcQ

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