多相流模型選擇與設定.docx

。1.多相流動模式我們可以根據(jù)下面的原則對多相流分成四類： 氣-液或者液-液兩相流：o 氣泡流動：連續(xù)流體中的氣泡或者液泡。o 液滴流動：連續(xù)氣體中的離散流體液滴。o 活塞流動: 在連續(xù)流體中的大的氣泡o 分層自由面流動：由明顯的分界面隔開的非混合流體流動。 氣-固兩相流：o 充滿粒子的流動：連續(xù)氣體流動中有離散的固體粒子。o 氣動輸運：流動模式依賴諸如固體載荷、雷諾數(shù)和粒子屬性等因素。最典型的模式有沙子的流動，泥漿流，填充床，以及各向同性流。o 流化床：由一個盛有粒子的豎直圓筒構(gòu)成，氣體從一個分散器導入筒內(nèi)。從床底不斷充入的氣體使得顆粒得以懸浮。改變氣體的流量，就會有氣泡不斷的出現(xiàn)并穿過整個容器，從而使得顆粒在床內(nèi)得到充分混合。 液-固兩相流o 泥漿流：流體中的顆粒輸運。液-固兩相流的基本特征不同于液體中固體顆粒的流動。在泥漿流中，Stokes 數(shù)通常小于1。當Stokes數(shù)大于1 時，流動成為流化（fluidization）了的液-固流動。o 水力運輸: 在連續(xù)流體中密布著固體顆粒o 沉降運動: 在有一定高度的成有液體的容器內(nèi)，初始時刻均勻散布著顆粒物質(zhì)。隨后，流體將會分層，在容器底部因為顆粒的不斷沉降并堆積形成了淤積層，在頂部出現(xiàn)了澄清層，里面沒有顆粒物質(zhì)，在中間則是沉降層，那里的粒子仍然在沉降。在澄清層和沉降層中間，是一個清晰可辨的交界面。 三相流 (上面各種情況的組合)各流動模式對應的例子如下： 氣泡流例子：抽吸，通風，空氣泵，氣穴，蒸發(fā)，浮選，洗刷 液滴流例子：抽吸，噴霧，燃燒室，低溫泵，干燥機，蒸發(fā)，氣冷，刷洗 活塞流例子：管道或容器內(nèi)有大尺度氣泡的流動 分層自由面流動例子： 分離器中的晃動，核反應裝置中的沸騰和冷凝 粒子負載流動例子：旋風分離器，空氣分類器，洗塵器，環(huán)境塵埃流動 風力輸運例子：水泥、谷粒和金屬粉末的輸運 流化床例子：流化床反應器，循環(huán)流化床 泥漿流例子: 泥漿輸運，礦物處理 水力輸運例子：礦物處理，生物醫(yī)學及物理化學中的流體系統(tǒng) 沉降例子：礦物處理2. 多相流模型FLUENT中描述兩相流的兩種方法:歐拉一歐拉法和歐拉一拉格朗日法，后面分別簡稱歐拉法和拉格朗日法。歐拉法即為兩相流模型，拉格朗日法即為離散相模型歐拉法著眼于空間的點，基本思想是考察空間一個點上的物理量及其變化。在歐拉方法中，F(xiàn)LUENT將不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。各相的體積率是時間和空間的連續(xù)函數(shù)，其體積分率之等于1。歐拉法中兩相流模型包括:VOF(the volumeoffluid)模型，混合模型和歐拉一歐拉模型VOF模型(Volume of Fluid Model) 混合模型(Mixture Model) l 歐拉模型(Eulerian Model) 2.1 VOF模型(Volume of Fluid Model) VOF模型用來處理沒有相互穿插的多相流問題，在處理兩相流中，假設計算的每個控制容積中第一相的體積含量為1，如果1=0，表示該控制容積中不含第一相，如果1=1，則表示該控制容積中只含有第一相，如果01species ；選擇 species transport ；下面的reactions不要選 ；然后選擇一個包含H2O的mixture material；默認的mixture-template就可以；然后在DPM屬性設置中的particle type選擇Droplet；在Material中選water-liquid；在Evaporating Species 中選H2O；_（1）請問DPM 模型的使用前提條件是什么?使用中有什么限制?答案：顆粒相體積分數(shù)占氣相體積分數(shù)小于10%。此時可將顆粒相視為離散相，可用DPM，否則可視為連續(xù)相（擬流體），采用兩相流模型（Mixing Model、EulerModel）（2）那么顆粒相可以是液體嗎?答案：可以是液滴,你可以假設液滴為球形的,這樣就可以了 還可以做一些其他假設。（3）在DPM 模型中，在離散相的設定中采用surface，顆粒分布rosin 分布，計算為穩(wěn)態(tài)，計算完成后，在相同條件下利用partical tracking 得出的分離效率均不同，又是差別還比較大。請問是不是用這種方法不能得出分離效率，或者fluent 這種計算隨機性較大呢？答案：將射流源里面的number of tries 的值增大，發(fā)現(xiàn)這樣可以看到湍流對于離散相的影響，你每點一次顯示的值不一樣，也是因為湍流的影響，多次的點擊就相當于將上面的值增大，不過是將多次的計算結(jié)果都顯示在一個窗口上，（4）當我將計算模型從segregated 轉(zhuǎn)換成coupled 的時候，在運行DPM 計算模型時，出現(xiàn)如下錯誤：Error: couldnt allocate fine level coefficient matrixError Object: ()請問如何消除？如果換回segregated，問題又沒有了，我想是不是使用coupled（solver）的時候另有設置？答案：我的理解，既然選定的解算器，就已經(jīng)決定了求解的方式：是分別求出各變量（segregate），還是所有方程聯(lián)立共同求出各變量（coupled）。但你從segregate變?yōu)閏oupled 時，是否考慮了有時，這兩個是不可以相互交換的？比如用segregate 時，可以不考慮能量方程，而從連續(xù)方程和動量方程求解出壓力速度場，然后再求解出溫度場，這樣這幾個參數(shù)不是相互依賴的關(guān)系。而用coupled是，方程是耦合的，必須同時求解。我想，大概出現(xiàn)問題的原因在這里。（5）使用segregated 時可以不考慮能量方程，那是不是也可以考慮，還有在solver中選定energy 一項，是不是就算考慮了能量方程？答案：這里說的是求解過程中，比如溫度變化不大時，粘度可以認為是常數(shù)，這樣流體運動不受溫度場的影響，流場可以獨立于溫度場求解，這時，可以先從連續(xù)方程和動量方程中求解出速度和壓力來，然后帶入能量方程中求出溫度來。并不是說不考慮能量方程，只是它們間的相互作用可以不考慮。也就是說將運動和傳熱問題分開來分析了。所以叫segregated，而coupled，是由于幾個因素相互影響不能忽略，比如粘度時溫度和函數(shù)。等等，必須同時考慮，所以在求解時，要同時解出來，不分先后。所以叫耦合。（6）在DPM（discrete phase model）中，有分散相（particle）位置定義，即firstposition 和last position，請問各位這兩項分別代表什么，要是需要定義多個particle 的位置，該怎么操作？答案：first position 是你選group 時第一個噴口的位置，last 嘛就是最后那個了你想定義多個的話，就多產(chǎn)生幾個injection 好了?。?）我用DPM 模型模擬粉塵在湍流中的擴散，現(xiàn)有關(guān)于離散相參數(shù)設置的問題不明，就是在設置兩相耦合設置的時候，Number Of Continuous Phase IterationsPer DPM Iteration 也就是迭代計算的時間間隔數(shù)應該設多少？如果太大是不是耦合的不好，而太小對連續(xù)相影響太大，引起波動不容易收斂。答案：Number Of Continuous Phase Iterations Per DPM Iteration 我通常設為20 次（8）我用顆粒云模型計算出來的結(jié)果跟用隨機軌道模型的結(jié)果不同啊，顆粒云中的最小顆粒群半徑應該是0 吧，那么設置不同的最大顆粒群半徑結(jié)果也有很大差異，現(xiàn)在關(guān)鍵是顆粒云模型的最小以及最大顆粒群半徑應該設多少，這個數(shù)如果大于某個數(shù)值結(jié)果就都一樣了，如果較小對結(jié)果影響就很大答案：用顆粒云模型計算出來的結(jié)果跟用隨機軌道模型的結(jié)果不同。這很正常啊，因為兩者的模擬方式不同，怎可能期待會有相同的結(jié)果？設置不同的最大顆粒群半徑結(jié)果也有很大差異，這也是很合理的！顆粒的大小本來就會影響流場的性質(zhì)。我發(fā)現(xiàn)耦合的時間間隔對結(jié)果的影響不是很大，那么設10，20 也都差不多。關(guān)鍵是顆粒云模型的最小以及最大顆粒群半徑應該設多少？顆粒半徑的大小，應該取決于要模擬的物體其半徑有多大（可以估計）。_壁面熱邊界條件中的所有參數(shù)結(jié)合不同的壁面種類進行說明：一、主要壁面邊界參數(shù)的說明1、壁面厚度(Wall Thickness):指定流場中Wall 的厚度，默認值0，作為0 厚度的Wall 來處理。當給定厚度的時候，因為壁本身有一定的面積，它和厚度的乘積得到Wall 的體積，由于固體材料有一定的熱容，所以這樣設置后Wall 條件就有一定的熱吸收和貯存的能力。一般來講，如果在建模時把較厚的壁簡化成壁面的話，有時就要考慮這種壁面的熱吸收和貯存效應。2、壁面熱產(chǎn)生率（Heat Generator Rate）：單位體積的Wall 產(chǎn)生的熱量。這里不要誤解，因為和壁面的厚度配合使用，所以它是體積單位的倒數(shù)。如果壁面厚度為0，這個壁面熱產(chǎn)生率也就沒有意義了，因為有厚度的壁面才是有體積的壁面。一般來講，這種條件用來處理總的發(fā)熱流率已知，均勻壁面散熱問題。注意：這兩個條件和具體的壁面種類選取無關(guān)，故放在前面，單獨分析。3、熱流壁(Heat Flux)：這是一個最常用的壁面條件，給定壁面的熱流，通過計算可以得到壁面的溫度。(*如果熱流為0，就是簡單而著名的絕熱壁條件。)4、溫度壁（Temperature）：這個溫度壁可以簡單的給定常數(shù)溫度，形成恒溫壁，也可以用UDF 等指定隨時間變化的溫度。這種條件下，可以得到整個流場對壁面的熱流率。5、對流壁（Convection）：對流壁要求指定外部熱對流系數(shù)（External Heat Transfer Coefficient ） 和外部參考溫度（ External Heat Sink Temperature）,它的物理意義是，相當于在流場外，也就是壁面外指定一個給定溫度和對流系數(shù)的對流源，它們向流場內(nèi)通過對流的方式傳輸熱流。特別要注意的是，在對流壁的界面中，它們分別寫成 Heat Transfer Coefficient 和Free Stream Temperature。6、輻射壁（Radiation）：輻射壁要求指定外部輻射系數(shù)（Emissivity of The External Wall Surface）和外部輻射參考溫度（ Temperature of The Radiation Source or Sink On The Exterior）,它的物理意義是，相當于在流場外，也就是壁面外指定一個給定溫度和輻射系數(shù)的輻射源，它們向流場內(nèi)通過輻射的方式傳輸熱量。特別要注意的是， 在輻射壁的界面中， 它們分別寫成External Emissivity和External Radiation Temperature7、對流和輻射混合壁（Mixed）：這就是5和6中講到的兩種壁的混合,在這里就不多講了。8、內(nèi)部輻射系數(shù)（Internal Emissivity）：當采用輻射模型計算流場熱輻射的時候，如離散坐標輻射模型（DO）等，在壁面條件中增加了這樣一個參數(shù)。它是一個控制壁面熱輻射流率的參數(shù)。它的選定根據(jù)固體材料的種類選定。這可以查材料手冊得到。二、要明確的幾個問題1 、外部輻射系數(shù)（ External Emissivity ） VS 內(nèi)部輻射系數(shù)（Internal Emissivity）。FLUENT 中采用這樣兩個相似的名字有它一定的道理，它們都是用來計算輻射的時候要在總輻射能量的前面用到的一個系數(shù)。但同時這樣的命名也給理解造成了一定麻煩，很容易混淆。要是從物理概念上理解這兩個參數(shù)就不會弄混了。外部輻射考慮當在流場外有一個輻射源向流場輻射熱量的時候而用到的參數(shù)，也就是說只有你選擇輻射壁或者混合壁的時候這個參數(shù)才出現(xiàn)，要根據(jù)流場外的輻射源來確定這個參數(shù)。內(nèi)部輻射系數(shù)，是在你考慮輻射模型的條件下才出現(xiàn)，例如在你選擇P1、DO 等計算熱輻射的時候，所以這是一個根據(jù)壁面固體材料特性選擇確定的參數(shù)。特別要注意的是，不同的固體材料差別很大，具體應用的時候查材料特性手冊得到。我要強調(diào)的是大家是做流體計算的，好多人都忽略了固體材料的事情，用默認的萬能的鋁，什么都不改，有時這是很成問題的！2、壁面熱產(chǎn)生率一定要和壁面厚度配合使用。3 、分清壁面條件中給定的都是什么溫度， 用到的溫度有三個：Temperature 、Free Stream Temperature 和External RadiationTemperature，特別要注意，只有第一個是給定了壁面的溫度，后面兩個分別給出自由流的參考溫度和外部輻射源的參考溫度。_湍流的數(shù)值模擬目前采用的數(shù)值計算方法可以大致分為以下三大類：2.1直接模擬直接模擬就是用三維的非穩(wěn)態(tài)的納維斯托克斯方程對湍流進行直接數(shù)值計算的方法。要對高度復雜的湍流運動進行直接的數(shù)值計算，必須采用很小的時間與空間步長，才能分辨出湍流的詳細的空間結(jié)構(gòu)以及變化劇烈的特性。因此，湍流的直接數(shù)值模擬對計算機內(nèi)存空間和計算速度的要求非常高，目前還無法用于工程數(shù)值計算。只有少數(shù)使用超級計算機的研究者才能從事這一類研究和計算。2.2大渦模擬按照湍流的渦旋學說，湍流的脈動與混合主要由大尺度的渦旋造成。大尺度的渦從主流中獲得能量，他們是高度的非各向同性，而且隨流動的情形而異。大尺度的渦通過互相作用把能量傳遞給小尺度的渦。小尺度渦的主要作用是耗散能量，它們幾乎是各向同性的，而且不同的流動中的小尺度的渦有許多共性。關(guān)于渦旋的上述認識就導致了大尺度渦模擬的數(shù)值解法。這種方法旨在用非穩(wěn)態(tài)的納維-斯托克斯方程來直接模擬大尺度渦，但不直接計算小尺度渦，小渦對大渦的影響通過近似的模型來考慮，這種大渦模擬對計算機內(nèi)存以及計算速度的要求雖然仍比較高，但遠低于直接模擬的方法對計算機資源的要求，在工作站上甚至個人電腦上都可以進行一定的研究工作，因而近年來的研究與應用日趨廣泛。2.3應用Reynolds時均方程的模擬方法在這類方法中將非穩(wěn)態(tài)的控制方程對時間做平均，在所得的關(guān)于時均物理量的控制方程中包含了脈動量乘積的時均值等物理量，于是方程的個數(shù)將小于未知量的個數(shù)，方程組不封閉。要使方程組封閉，必須做出建設，即建立模型。在Reynolds時均方程法中，又有Reynolds應力方程法及湍流粘性系數(shù)法兩大類。其中湍流粘性系數(shù)法是目前工程流動與數(shù)值計算中應用最廣泛的方法。_多相流模型和離散相模型的區(qū)別兩相流：通常把含有大量固體或液體顆粒的氣體或液體流動稱為兩相流；其中含有多種尺寸組顆粒群為一個“相”，氣體或液體為另一“相”，由此就有氣液，氣固，液固等兩相流之分。兩相流的研究：對兩相流的研究有兩種不同的觀點：一是把流體作為連續(xù)介質(zhì)，而把顆粒群作為離散體系；而另一是除了把流體作為連續(xù)介質(zhì)外，還把顆粒群當作擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體。引入兩種坐標系：即拉格朗日坐標和歐拉坐標，以變形前的初始坐標為自變量稱為拉格朗日Langrangian 坐標或物質(zhì)坐標；以變形后瞬時坐標為自變量稱為歐拉Eulerian 坐標或空間坐標。1.離散相模型 FLUENT在求解連續(xù)相的輸運方程的同時，在拉格朗日坐標下模擬流場中離散相的第二相； 離散相模型解決的問題：煤粉燃燒、顆粒分離、噴霧干燥、液體燃料的燃燒等； 應用范圍：FLUENT中的離散相模型假定第二相體積分數(shù)一般說來要小于10-12%（但顆粒質(zhì)量承載率可以大于10-12%，即可模擬離散相質(zhì)量流率等/大于連續(xù)相的流動）；不適用于模擬在連續(xù)相中無限期懸浮的顆粒流問題，包括：攪拌釜、流化床等； 顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響未考慮； 湍流中顆粒處理的兩種模型：Stochastic Tracking，應用隨機方法來考慮瞬時湍流速度對顆粒軌道的影響；Cloud Tracking，運用統(tǒng)計方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴散。通過計算顆粒的系統(tǒng)平均運動方程得到顆粒的某個“平均軌道” FLUENT 提供五種霧化模型：l （1）平口噴嘴霧化(plain-orifice atomizer)l （2）壓力旋流霧化(pressure-swirl atomizer)l （3）靶式霧化(flat-fan atomizer)l （4）氣體輔助霧化(air-blast/air-assisted atomizer)l （5）氣泡霧化(effervescent/flashing atomizer)用戶可以在 Set Injection Properties 面板中選擇噴嘴類型及其相應參數(shù)下面就介紹各個噴嘴模型：概述：所有的模型都是用噴嘴的物理及尺寸參數(shù)（例如噴口直徑、質(zhì)量流率）來計算初始顆粒尺寸、速度、位置。對于實際的噴嘴模擬來說，無論是顆粒的噴射角度還是其噴出時間都是隨機分布的。但對FLUENT 的非霧化噴射入口來說，液滴都是在初始時刻以一個固定的軌道噴射出去（到流場中去）。噴霧模型中使用隨機選擇模型得到液滴的隨機分布。隨機選擇軌道表明初始液滴的噴射方向是隨機的。所有的噴嘴模型中都要設第初始噴射角（范圍），顆粒通過隨機的方法在這個范圍內(nèi)得到一個初始噴射方向。這種方法提高了由噴射占主導地位流動的計算精度。在噴嘴附近，液滴在計算網(wǎng)格內(nèi)的分布趨向于更加均勻，這樣，通過氣相作用于液滴上的曳力就加強了氣相液滴之間的耦合作用。1. 平口噴嘴霧化(plain-orifice atomizer)模型平口噴嘴是最常見也是最簡單的一種霧化器。但對于其內(nèi)部與外部的流動機制卻很復雜。液體在噴嘴內(nèi)部得到加速，然后噴出，形成液滴。這個看似簡單的過程實際卻及其復雜。平口噴嘴可分為三個不同的工作區(qū)：單相區(qū)、空穴區(qū)、以及回流區(qū)。不同工作區(qū)的轉(zhuǎn)變是個突然的過程，并且產(chǎn)生截然不同的噴霧狀態(tài)。噴嘴內(nèi)部區(qū)域決定了流體在噴嘴處的速度、初始顆粒尺寸、以及液滴分散角。2. 壓力旋流霧化噴嘴模型另一種重要的噴嘴類型就是壓力旋流霧化噴嘴。氣體透平工業(yè)的人把它稱作單相噴嘴（simplex atomizer）。這種噴嘴，然后流體通過一個稱作旋流片的噴頭被加速后，進入中心旋流室。在旋流室內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的液體被擠壓到固壁，在流體中心形成空氣柱，然后，液體以不穩(wěn)定的薄膜狀態(tài)從噴口噴出，破碎成絲狀物及液滴。在氣體透平、燃油爐、直接噴射點火式汽車內(nèi)燃機的液體燃料燃燒中，壓力旋流霧化噴嘴使用很廣泛。液體從內(nèi)部流到完全霧化的過程可分為三個步驟：液膜形成、液膜破碎及霧滴形成。3. 空氣輔助霧化模型：為了加速液膜的破碎，噴嘴經(jīng)常會添加上輔助空氣。液體通過噴座的作用形成液膜,空氣則直接沖擊液膜以加速液膜的破碎。這種霧化被稱為空氣輔助霧化或氣泡（air-blast）迸裂霧化（依賴于空氣量及其速度）。通過輔助空氣的作用，可以得到更小的霧滴。這種提高霧化質(zhì)量的作用機制并不清楚。一般的看法是，輔助空氣加劇了液膜的不穩(wěn)定性。同時，空氣有助于液滴的分散，防止液滴間的碰撞?？諝忪F化噴嘴同壓力旋流霧化噴嘴一樣被廣泛應用，尤其是用在要求霧化粒徑很小的場合。FLUENT 中的空氣霧化模型由壓力旋流霧化模型所衍生。有個不同點是，在空氣輔助霧化模型里，用戶需要直接設定液膜厚度。因為空氣霧化噴嘴的液膜形成機制很多，所以必須要有此設定。這樣，在空氣輔助霧化噴嘴模型里就沒有壓力旋流霧化模型里所具有的液膜形成方程。用戶還必須設定液膜與空氣間的最大速度差。盡管這個量可以計算出來，但設定一個值之后用戶就可以不必計算噴嘴的內(nèi)部流動了。這個特點對大區(qū)域（噴嘴相對很小）的流動模擬很方便。其他方面的設定與壓力霧化噴嘴模型的一樣。用戶必須設定質(zhì)量流率和噴射角度。液膜離開噴口之后，它的初始軌道沿著設定的噴射角。如果初始液膜的軌道指向中心線，那么，噴射角度為負值。用戶還需要設定噴口處液膜的內(nèi)外半徑?？諝廨o助霧化模型不包含內(nèi)部氣體的流動。在 FLUENT 中，用戶必須把噴嘴內(nèi)的空氣流動設定為邊界條件?？諝饬鲃涌煽醋饕话愕倪B續(xù)相的流動，不需要做特別的處理。4. 轉(zhuǎn)杯霧化模型（The Flat-Fan Atomizer Model）轉(zhuǎn)杯霧化噴嘴與壓力旋流霧化噴嘴很類似，只是它形成了液膜層，而不是旋流。液體從寬而薄的噴口出來后形成平面液膜，繼而破碎成液滴。一般認為，它的霧化機理與壓力旋流霧化噴嘴類似。一些學者認為轉(zhuǎn)杯霧化噴嘴（由沖擊射流霧化而來）的霧化機理與平面液膜的霧化類似。在這種情況下，轉(zhuǎn)杯霧化模型可以應用。只有在三維的情況下才可以使用這個模型。5. 氣泡霧化模型氣泡霧化噴嘴中，液體中混合了過熱液體（相對下游工況）或者類似的介質(zhì)。當揮發(fā)性液體從噴口噴出時，迅速發(fā)生相變。相變使流體迅速以很大的分散角破碎成小液滴。此模型也適用于熱流體射流。計算中還必須設定蒸發(fā)的氣體，此蒸汽是連續(xù)相的一部分而不是分散相模型所要處理的。在設定連續(xù)相的邊界條件時，用戶必須在噴口處設定一個連續(xù)相的入口邊界條件。若選擇氣泡霧化模型，還需要設定噴口直徑、質(zhì)量流率、混合量、揮發(fā)分物質(zhì)的飽和溫度、溫度分數(shù)、射流半角以及分散常數(shù)。離散相的初始條件設定在 FLUENT 中的離散相計算中，用戶的主要輸入項是初始條件項。初始條