圆柱上强制对流沸腾的格子 Boltzmann 建模与模拟

当沸腾发生于液体流场中时，该现象称为强制对流沸腾。我们在饱和条件下的流动中对圆柱上的此类沸腾系统进行了数值研究。为处理复杂的液-汽相变现象，我们基于伪势格子 Boltzmann 方法（LBM）开发了数值格式。碰撞阶段在空间中心矩（CMs）中执行，以增强高雷诺数下的数值稳定性。所采用的力格式与基于 CMs 的 LBM 一致，从而导出简洁而稳健的算法。此外，在 CMs 框架下推导了确保热力学一致性所需的附加项。本格式的有效性通过一系列沸腾过程得到成功验证，包括雷诺数在 30 至 30000 之间变化的汽泡成核、生长与脱离。我们的基于 CMs 的 LBM 能够复现所有沸腾模态，即核态沸腾、过渡沸腾与膜态沸腾，而无需任何如初始汽相之类的人工输入。我们发现，即便所关注系统并非池沸腾而是强制对流系统，典型的沸腾曲线（亦称 Nukiyama 曲线）仍会出现。同时，我们的模拟支持即便在膜态沸腾模态下也存在间歇性固-液直接接触的实验观测。最后，我们在 Nu-Ja 图上针对圆柱上强制对流膜态沸腾的半经验关联式给出了定量比较。