《International Journal of Heat and Mass Transfer》：A multiple flow regime CFD methodology for modelling liquid nitrogen chilldown in vertical pipes
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低温流体在从能源基础设施到航空航天推进系统的众多行业中扮演着日益重要的角色。这些应用中的一个关键过程是预冷（chilldown），即管道系统从环境温度冷却至接近饱和温度的过程，此过程涉及一系列复杂的沸腾流态。本研究开发了一种基于二维轴对称的计算流体动力学（CF
低温流体在从能源基础设施到航空航天推进系统的众多行业中扮演着日益重要的角色。这些应用中的一个关键过程是预冷（chilldown），即管道系统从环境温度冷却至接近饱和温度的过程，此过程涉及一系列复杂的沸腾流态。本研究开发了一种基于二维轴对称的计算流体动力学（CFD）框架，用于模拟低温管道预冷过程。该方法采用欧拉混合物多相流（MMP）模型，并结合一种新颖的多流态拓扑结构，以分别处理膜态沸腾（film boiling）、过渡沸腾（transition boiling）和核态沸腾（nucleate boiling）阶段中截然不同的相间传热与传质机制。该框架在STAR-CCM+ 2406中实现，并针对Darr等人开展的四种不同入口雷诺数（Re）条件下的液氮（LN2）垂直向上流动预冷实验数据集进行了验证。研究人员将两种基于表面更新的传热关联式——Hughes–Duffey和Coste——应用于过渡流态区域，并与实验结果进行了对比。结果表明，该多流态方法在所有验证案例中均表现出色，壁面温度的平均绝对百分比误差（MAPE）低于10%。此外，研究发现Hughes–Duffey关联式在沿管道轴向的热预测方面优于Coste关联式。该二维轴对称模型在显著降低计算成本的同时，与实验数据吻合良好，证明了其作为一种可靠且高效的工程工具用于设计和优化低温传输系统的潜力。
论文解读文章
1. 研究背景与问题
低温流体在现代工业中至关重要，广泛应用于液化天然气储存、医疗成像、科学研究以及航空航天推进系统等领域。在这些应用中，一个关键的初始步骤是“预冷”过程，即低温管路系统从环境温度冷却至接近工作流体的饱和温度。这一过程伴随着剧烈的瞬态两相流现象，包括膜态沸腾、过渡沸腾和核态沸腾等复杂流态的快速演变。精确预测预冷行为对于设计低温传输系统至关重要，因为它直接决定了冷却时间、推进剂消耗量和管壁热应力。
然而，物理实验成本高昂且受限于安全约束，因此数值模拟成为一种极具价值的替代方案。现有的数值方法面临诸多挑战：一维模型依赖经验关联式，无法解析流场空间细节；三维CFD模型虽然精度高，但计算成本巨大。更重要的是，许多现有研究采用单一的流态建模框架，难以准确捕捉预冷过程中各沸腾阶段截然不同的物理机制。此外，普遍使用的Lee相变模型高度依赖于经验调节系数，缺乏普适性和物理基础。因此，开发一种能够准确、高效且更具物理一致性的多流态CFD方法，对于推动低温工程领域的发展具有重要意义。
2. 研究方法与技术路线
为解决上述问题，研究人员在STAR-CCM+ 2406平台上建立了一个二维轴对称的CFD模型。该模型的核心是一个创新的多流态拓扑结构，它将预冷过程划分为三个流态：液体连续相、中间过渡态和蒸汽连续相，并为每个流态分配专用的相间传热传质和曳力子模型。研究采用了欧拉混合物多相流（MMP）模型，并通过共轭传热（CHT）耦合了固体管壁的温度场。为了确保计算效率，研究人员采用了结构化网格，并进行了系统的网格敏感性分析，最终确定了一个40×400（径向×轴向）的流体域网格配置。湍流模型选用的是k-ω SST模型。特别地，该研究避免了使用经验性强的Lee模型，而是采用基于物理机制的传热关联式来处理相变，其中在中间过渡流态比较了Hughes–Duffey和Coste两种表面更新理论关联式的表现。
3. 研究结果
3.1 网格敏感性分析
研究人员以最高雷诺数（Re = 35,626）的测试案例4为基础，对轴向和径向网格分辨率进行了系统性研究。结果表明，40×400的网格配置（包含16,000个流体单元和8,000个固体单元）能够提供网格独立的结果，并被用于所有后续模拟。
3.2 壁温预测验证
通过与Darr等人的四个实验案例（覆盖Re = 10,828至35,626）进行对比，该多流态CFD模型成功再现了完整的预冷曲线，包括膜态沸腾、过渡沸腾和核态沸腾三个阶段。在所有验证案例中，上游和下游热电偶站点的壁面温度预测值与实验值的平均绝对百分比误差（MAPE）均低于10%，证明了模型的高精度和鲁棒性。
3.3 热流密度预测验证
模型不仅准确预测了壁温，还成功捕捉了临界热流密度（CHF）峰值及其发生时刻。尽管在过渡沸腾和核态沸腾区域的瞬时热流密度波动较大，但整体趋势与实验数据吻合良好，进一步验证了模型对传热过程的预测能力。
3.4 关联式性能比较
通过在中间过渡流态分别应用Hughes–Duffey和Coste两种传热关联式，研究发现Hughes–Duffey关联式在预测沿管长方向的热行为方面表现更优。使用该关联式时，模型对下游位置的预冷时间预测更为准确，而Coste关联式则倾向于延迟下游的淬火前沿到达时间。
4. 讨论与结论
讨论总结：
研究指出，所提出的多流态CFD方法论成功克服了传统单流态模型的局限性，无需依赖全局调节的Lee相变系数，从而提高了模型的物理一致性和泛化能力。二维轴对称假设在垂直向上流动中被证明是有效的，大幅降低了计算成本而不牺牲精度。研究也承认，该模型目前仅限于垂直向上流动，未来工作需要将其扩展到其他流动方向（如水平或向下流动）。此外，模型对中间过渡流态中传热关联式的敏感性表明，进一步改进该区域的物理模型是提升整体预测精度的关键。
研究结论翻译：
本文提出并验证了一种用于低温管道预冷的二维轴对称多流态CFD方法学。该框架结合了欧拉混合物模型和一种新颖的三流态拓扑结构，为每个流态提供了专门的相间传热传质和曳力子模型。通过与Darr等人的液氮（LN2）垂直向上流动预冷实验数据进行对比，该模型在所有四个验证案例中均取得了优异的性能，壁面温度的平均绝对百分比误差（MAPE）低于10%。二维轴对称简化被证明是有效的，在保持与实验数据良好一致性的同时显著降低了计算成本。此外，对两种表面更新传热关联式的评估表明，Hughes–Duffey关联式在沿管道轴向的热预测方面优于Coste关联式。总体而言，所提出的方法学为低温传输系统的设计与优化提供了一个可靠且计算高效的工程工具，并为未来在多维度和多种低温流体中的应用奠定了基础。
