流动沸腾过程动态接触角udf

Question

使用fluent模拟微通道内水的过冷流动沸腾现象。微通道包括固体域和流体域，固体域中，通道侧壁和底壁厚度相同，底壁下表面为加热面。模型选用VOF模型，相变模型使用UDF基于Lee模型来实现，因为气泡的生长和脱离受到接触角影响，另外需要通过UDF定义动态接触角模型。动态接触角代码如何实现？

Answer 1

下午好🌅🌅🌅
本答案参考通义千问

在使用 Fluent 模拟微通道内水的过冷流动沸腾现象时，动态接触角（Dynamic Contact Angle） 是影响气泡生长、脱离以及传热性能的重要参数。为了准确模拟这一过程，通常需要通过 UDF（User-Defined Function） 来定义动态接触角模型。

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一、动态接触角的基本概念

动态接触角是指在气液界面随时间变化过程中，接触线移动所对应的接触角值。它不同于静态接触角，是随着气泡的生长、运动和脱离而发生变化的。

在 Lee模型 中，动态接触角通常与 气泡生长速率 或 壁面温度梯度 相关，因此需要在 UDF 中根据物理条件进行动态调整。

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二、实现动态接触角的步骤

以下是基于 Fluent 的 UDF 实现动态接触角的具体步骤：

1. 设置 Fluent 模型

• 使用 VOF 模型 来追踪气液界面。
• 启用 相变模型（如 Lee 模型）来模拟气泡的生成与蒸发。
• 定义 固体域 和 流体域，并指定加热面为底壁下表面。
• 设置 边界条件，包括入口速度、出口压力等。

2. 编写动态接触角 UDF

以下是一个示例的 UDF，用于定义动态接触角（基于气泡生长速率）：

#include "udf.h"

#define MAX_CONTACT_ANGLE 150.0   // 最大接触角（单位：度）
#define MIN_CONTACT_ANGLE 30.0    // 最小接触角（单位：度）
#define GROWTH_RATE_THRESHOLD 1e-4 // 气泡生长速率阈值

real get_dynamic_contact_angle(Thread *t, Cell *c, real time)
{
    real contact_angle = 0.0;
    real growth_rate = 0.0;

    // 获取当前单元的气相体积分数
    real alpha = C_VOF(c, t);

    // 如果该单元不是气液界面，则跳过
    if (alpha < 0.01 || alpha > 0.99)
        return 0.0;

    // 计算气泡生长速率（假设为体积变化率）
    growth_rate = C_D(c, t) * C_UDMI(c, t, 0); // 假设 C_UDMI[0] 存储了气泡生长速率

    // 根据生长速率计算动态接触角
    if (growth_rate > GROWTH_RATE_THRESHOLD)
    {
        // 高生长速率对应小接触角（气泡快速脱离）
        contact_angle = MAX_CONTACT_ANGLE - (growth_rate / GROWTH_RATE_THRESHOLD) * (MAX_CONTACT_ANGLE - MIN_CONTACT_ANGLE);
    }
    else
    {
        // 低生长速率对应大接触角（气泡稳定生长）
        contact_angle = MIN_CONTACT_ANGLE + (growth_rate / GROWTH_RATE_THRESHOLD) * (MAX_CONTACT_ANGLE - MIN_CONTACT_ANGLE);
    }

    // 确保接触角在合理范围内
    if (contact_angle > MAX_CONTACT_ANGLE)
        contact_angle = MAX_CONTACT_ANGLE;
    if (contact_angle < MIN_CONTACT_ANGLE)
        contact_angle = MIN_CONTACT_ANGLE;

    return contact_angle;
}

DEFINE_ADJUST(dynamic_contact_angle_udf, domain)
{
    Thread *t;
    Cell *c;

    thread_loop_c(t, domain)
    {
        if (FLUID_THREAD_P(t))
        {
            cell_loop_c(c, t)
            {
                real angle = get_dynamic_contact_angle(t, c, CURRENT_TIME);
                C_UDMI(c, t, 1) = angle; // 将动态接触角存储到用户定义内存中
            }
        }
    }
}

注意：

• C_UDMI 是 Fluent 提供的用户定义内存（User-Defined Memory），用于存储临时变量。
• 在实际应用中，可能需要结合其他物理量（如温度、压力、速度梯度）来更精确地定义动态接触角。

3. 在 Fluent 中加载 UDF

• 打开 Fluent，进入 Define -> User-Defined -> Functions -> Compiled。
• 添加上述 UDF 文件（如 dynamic_contact_angle.c）。
• 编译并加载 UDF。
• 在 Boundary Conditions 或 Phase Change Model 中调用 UDF。

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三、关键参数说明

| 参数 | 说明 | |------|------| | MAX_CONTACT_ANGLE | 气泡最大接触角（如 150°） | | MIN_CONTACT_ANGLE | 气泡最小接触角（如 30°） | | GROWTH_RATE_THRESHOLD | 判断气泡生长快慢的阈值 | | C_UDMI(c, t, 1) | 存储动态接触角的用户定义内存 |

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四、动态接触角对模拟的影响

• 气泡脱离行为：动态接触角会影响气泡的脱离频率和方式。
• 传热性能：接触角越小，气泡更容易脱离，传热效率越高。
• 气液界面稳定性：合理的动态接触角有助于保持界面的稳定性，避免数值震荡。

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五、建议优化方向

1. 引入温度梯度或壁面热通量：将接触角与壁面温度或热通量相关联，使模型更贴近物理实际。
2. 使用更复杂的接触角模型：如基于滑移速度、界面曲率或气泡形状的模型。
3. 多尺度耦合：结合微观尺度的接触角模型与宏观流动模型，提高仿真精度。

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六、总结

在 Fluent 中实现 动态接触角 UDF 是模拟微通道内过冷流动沸腾的关键步骤之一。通过定义基于气泡生长速率或其他物理量的动态接触角模型，可以显著提升模拟的准确性与真实性。

重点总结：

• 动态接触角是气泡生长和脱离的重要因素。
• 使用 UDF 可以灵活定义动态接触角模型。
• 代码需结合 Fluent 的 API 进行编写，并通过 C_UDMI 存储结果。
• 优化接触角模型可进一步提高模拟精度。

如有更多关于 Lee 模型、VOF 模型或相变建模的问题，欢迎继续提问！