Lattice Boltzmann modeling and simulation of forced-convection boiling on a cylinder

円柱上の強制対流沸騰の格子ボルツマンモデルとシミュレーション

齋藤 慎平*; De Rosis, A.*; Fei, L.*; Luo, K. H.*; 海老原 健一   ; 金子 暁子*; 阿部 豊*

Saito, Shimpei*; De Rosis, A.*; Fei, L.*; Luo, K. H.*; Ebihara, Kenichi; Kaneko, Akiko*; Abe, Yutaka*

流れ場で沸騰が発生する現象は強制対流沸騰として知られている。今回、飽和条件の流れ場中の円柱上での沸騰システムを数値的に調査した。複雑な気液相変化現象に対処するために、擬ポテンシャル格子ボルツマン法(LBM)に基づく数値スキームを開発した。高いレイノルズ数の数値安定性を高めるため、衝突項を中心モーメント(CM)の空間で解いた。CMベースのLBMに適した力場スキームを採用することで簡潔でありながら堅牢なアルゴリズムとなっている。さらに、熱力学的一貫性を確保するために必要な追加項をCMの枠組みにおいて導出した。現在のスキームの有効性は、核形成,成長、および30-30000の間で変化するレイノルズ数の蒸気泡の離脱を含む一連の沸騰プロセスに対してテストされた。開発したCMベースのLBMは、初期気相などの人工的な入力なしに、核沸騰,遷移沸騰、および膜沸騰の沸騰様式を再現できる。結果からプール沸騰ではなく強制対流システムでも抜山曲線として知られる典型的な沸騰曲線が現れることが分かった。また、今回のシミュレーションは膜沸騰領域でも断続的な直接固液接触の実験的観察を支持することが分かった。

A Boiling phenomenon in a liquid flow field is known as forced-convection boiling. We numerically investigated the boiling system on a cylinder in a flow at a saturated condition. To deal with such a phenomenon, we developed a numerical scheme based on the pseudopotential lattice Boltzmann method. The collision was performed in the space of central moments (CMs) to enhance stability for high Reynolds numbers. Furthermore, additional terms for thermodynamic consistency were derived in a CMs framework. The effectiveness of the model was tested against some boiling processes, including nucleation, growth, and departure of a vapor bubble for high Reynolds numbers. Our model can reproduce all the boiling regimes without the artificial initial vapor phase. We found that the Nukiyama curve appears even though the focused system is the forced-convection system. Also, our simulations support experimental observations of intermittent direct solid-liquid contact even in the film-boiling regime.