多相湍流計(jì)算模型

多相湍流計(jì)算模型多相流動(dòng)指氣體-顆?！矚?固〕、液體-顆?！惨?固〕、液體-氣泡〔液-氣〕、氣體-液霧〔氣-液〕和氣泡-液體-顆?！矚?液-固〕等兩相或者三相流動(dòng)，其中連續(xù)相是流體〔氣體或液體〕、離散相是顆粒、液霧或氣泡。離散相模型解決的問題：煤粉燃燒、顆粒別離、噴霧枯燥、液體燃料的燃燒等，顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響未考慮。湍流中顆粒處理的兩種模型：StochasticTracking，應(yīng)用隨機(jī)方法來考慮瞬時(shí)湍流速度對顆粒軌道的影響，CloudTracking，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴(kuò)散，通過計(jì)算顆粒的系統(tǒng)平均運(yùn)動(dòng)方程得到顆粒的某個(gè)“平均軌道〞。一般氣固兩相流動(dòng)的研究方法主要有：〔1〕把流體或氣體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，而將顆粒視為離散體系。〔2〕把流體與顆粒都看成共同存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì)，即把顆粒視作擬流體。〔3〕近年來，在研究有化學(xué)反響的氣粒兩相流時(shí)，也探討了諸如顆粒相的連續(xù)介質(zhì)—軌道模型這樣的綜合方法。1980—1981年在美國斯坦福大學(xué)召開了一個(gè)國際會議，對各種湍流模型在工程等溫流動(dòng)中的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行了評定。就其通用性，Donaldson提出了湍流模型必須滿足以下一些條件：〔1〕如果待模擬的項(xiàng)是一個(gè)張量，那么模型在張量的階數(shù)，下標(biāo)的次序，張量的性質(zhì)〔對稱性和跡為零〕都和原項(xiàng)相同；〔2〕量綱上必須相同；〔3〕滿足不變性原那么。模型表達(dá)式與坐標(biāo)系的選擇無關(guān)，當(dāng)坐標(biāo)系作伽利略變換時(shí)，模型與待模擬的量按相同的規(guī)律變化；〔4〕模型方程必須滿足守恒定律。在此前提下，氣固兩相流動(dòng)的研究方法仍層出不窮，但是仍基于各種特定條件的假設(shè)。本文將給出的模型有：單顆粒動(dòng)力學(xué)模型、顆粒軌道模型、隨機(jī)軌道模型多流體模型等。1氣固兩相流的流動(dòng)特點(diǎn)流動(dòng)的特點(diǎn)流動(dòng)類型—根據(jù)以下特征時(shí)間的比值組成的相似準(zhǔn)那么的量級判斷流動(dòng)的特征時(shí)間有:流動(dòng)時(shí)間〔停留時(shí)間〕擴(kuò)散馳豫時(shí)間平均運(yùn)動(dòng)馳豫時(shí)間流體脈動(dòng)時(shí)間顆粒間碰撞時(shí)間其中當(dāng)時(shí)，為無滑移流〔平衡流〕；當(dāng)時(shí)，為強(qiáng)滑移底〔凍結(jié)流〕；當(dāng)時(shí)，為擴(kuò)散—凍結(jié)流；當(dāng)時(shí)，為擴(kuò)散—平衡流；當(dāng)時(shí)，為稀疏懸浮流；當(dāng)時(shí)，為稠密懸浮流。1.2顆粒尺寸及其分布規(guī)律氣固兩相流中顆粒平均尺寸主要包括：顆粒尺寸分布規(guī)律的Rosin—Rammler公式：式中為尺寸大于dk的顆粒的重量百分比；n是非均勻性指數(shù)；d是特征尺寸。n和d均由實(shí)驗(yàn)確定。1.3表觀密度和體積分?jǐn)?shù)氣固兩相流動(dòng)中幾種不同定義的密度：式中—混合物密度；—流體〔氣體〕的表觀密度；，—顆粒的表觀密度；—顆粒材料密度顆粒相及氣相的體積分?jǐn)?shù)定義為：對于稀疏氣固兩相流動(dòng)有：其中為氣體材料密度。在煤粉火焰中有：即故煤粉火焰為稀疏氣固兩相流動(dòng)。1.4顆粒阻力、傳熱傳質(zhì)及反響顆粒阻力按照氣固兩相間相對運(yùn)動(dòng)的Reynolds數(shù)范圍的不同具有不同的規(guī)律：當(dāng)顆粒溫度高于氣體溫度T時(shí)，顆粒阻力要大于等溫情況下的阻力。這時(shí)計(jì)算中的氣體粘性系數(shù)如下確定(式中和分別為和T下的氣體粘性系數(shù))：蒸發(fā)，揮發(fā)和反響會引起顆粒質(zhì)量變化從而降低顆粒阻力，此時(shí)顆粒阻力計(jì)算式為：式中B為與質(zhì)量變化率有關(guān)的無量綱參數(shù)：顆粒的傳熱傳質(zhì)可以用Ranz—Marshell公式描述：氣固兩相流到的根本方程一般我們將兩相或多相流動(dòng)系統(tǒng)視作一個(gè)多相混合物系統(tǒng)，顆粒與流體在宏觀上占據(jù)相同的空間〔但在微觀上占據(jù)不同的空間〕，互相滲透，且各相具有各自的尺寸、速度和溫度，而對真實(shí)的多相流動(dòng)系統(tǒng)，我們更需要了解其宏觀流動(dòng)特性。歐拉坐標(biāo)系中湍流多相流動(dòng)的瞬時(shí)方程組：流體〔氣〕相連續(xù)方程第k種顆粒相連續(xù)方程混合物連續(xù)方程流體〔氣〕相動(dòng)量方程第k種顆粒相動(dòng)量方程混合物動(dòng)量與方程流體〔氣〕相能量方程第k種顆粒相能量方程混合物能量方程流體〔氣〕相組分方程以上方程組中，Qk是顆粒與流〔氣〕體間的對流傳熱；和分別為流體相和顆粒相因相變而產(chǎn)生的源項(xiàng)；是流體相的輻射傳熱；是第k種顆粒相的輻射傳熱；ws是流體相中s組分的反響率；是流體相反響在單位體積中釋放的熱量；是顆粒外表異相反響〔包括蒸發(fā)與凝固〕所釋放的熱量；是相變過程中s組分的奉獻(xiàn)分?jǐn)?shù)。上述湍流多相流動(dòng)的瞬時(shí)方程組按照類似于單相湍流流動(dòng)中采用的方法進(jìn)行雷諾分解和平均后，得其時(shí)均方程組：流體連續(xù)方程顆粒連續(xù)方程流體動(dòng)量方程顆粒動(dòng)量方程流體能量分方程顆粒能量方程流體組分方程以上方程都是湍流氣固兩相流動(dòng)的一般描述。由于方程組時(shí)均化后含有未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)，使其不能封閉，需要?；?。氣固兩相流動(dòng)模型總結(jié)了幾種流動(dòng)模型見下表1：表1流動(dòng)模型表處理方法相間耦合相間滑移坐標(biāo)系顆粒湍流脈動(dòng)單顆粒動(dòng)力學(xué)(SPD)1950s離散體系單向有拉氏無(擴(kuò)散凍結(jié))小滑移擬流體模型(SS)1960s連續(xù)介質(zhì)單向漂移=擴(kuò)散歐拉擴(kuò)散=滑移無滑移擬流體模型(NS)1970s連續(xù)介質(zhì)局部雙向無歐拉有(擴(kuò)散平衡)顆粒軌道模型(PT)1980s離散體系雙向有拉氏無(確定軌道)有(隨機(jī)軌道)擬流體模型(MF)1980s連續(xù)介質(zhì)雙向有歐拉有概率密度模型(PDF)1990s離散/連續(xù)雙向有拉氏/歐拉有下面介紹幾種比擬常用的模型：3.1單顆粒動(dòng)力學(xué)模型3.1.1模型假設(shè)：1.忽略顆粒存在對流體流動(dòng)的影響；2.固相作互不相關(guān)的無脈動(dòng)的單顆粒的運(yùn)動(dòng)，或?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)的軌道，以及顆粒速度及溫度沿軌道的變化。3.大多數(shù)情況下除阻力以外的虛假質(zhì)量力、壓力梯度力、Basset力、Magnus力、Saffman力、熱泳力和電泳力不很重要，可以忽略。3.1.2模型的建立由顆粒的受力分析得：基于假設(shè)那么有：3.2顆粒軌道模型顆粒軌道模型又被稱為顆粒別離流(DPSF)模型。其優(yōu)點(diǎn)是可以比擬容易地考慮顆粒的結(jié)合與破裂,考慮揮發(fā)、燃燒等化學(xué)過程,考慮顆粒的大小、溫度和成分的變化等,因而在液霧和粉煤燃燒系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。它是在拉格朗日坐標(biāo)系下,計(jì)算單個(gè)粒子或粒子云團(tuán)在流場中運(yùn)動(dòng)的軌跡,及顆粒參數(shù)沿軌道的變化規(guī)律。顆粒的瞬時(shí)位置是顆粒初始位置和時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)顆粒軌道確實(shí)定方法,把DPSF模型分為確定性軌道模型(DFS)和隨機(jī)軌道模型(SSF)。顆粒軌道可以由其運(yùn)動(dòng)方程求解得來。如果顆粒在湍流中運(yùn)動(dòng),還需考慮流體湍流脈動(dòng)引起的顆粒彌散作用。

顆粒軌道模型,尤其隨機(jī)軌道模型在研究粉煤湍流燃燒問題中得到較多應(yīng)用。確定性顆粒軌道模型(DSF)用氣流的平均速度代入，而隨機(jī)顆粒軌道模型(SSF)需代入顆粒所處流場的瞬時(shí)速度。

用確定性軌道模型計(jì)算的顆粒軌道比擬集中,假設(shè)軌道數(shù)較小,不能模擬爐內(nèi)的真實(shí)過程;用隨機(jī)軌道模型計(jì)算的顆粒軌道在爐內(nèi)分布比擬均勻,用較少軌道就能模擬出符合實(shí)際顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。用兩種軌道模型得到的氣相流場根本一致,但溫度場有較大不同,確定性軌道模型計(jì)算出的高溫區(qū)在外回流區(qū)和中心回流區(qū)之間的剪切層,隨機(jī)軌道模型的高溫區(qū)位于中心回流區(qū),其溫度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。

隨機(jī)軌道模型經(jīng)修正后,顆粒軌道有較好改善。但要嚴(yán)格考慮有旋時(shí)的湍流各向異性,必須改用雷諾應(yīng)力或代數(shù)雷諾應(yīng)力氣相模型,以便獲得流場雷諾應(yīng)力及渦旋生存時(shí)間內(nèi)氣相各脈動(dòng)速度的互相關(guān)信息。顆粒軌道模型將顆粒處理為離散相，建立單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，與氣相動(dòng)量方程(N-S方程)耦合求解，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可根據(jù)求得的顆粒速度和設(shè)定的時(shí)間步長積分求得。將大量顆粒的行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，可以獲得顆粒相的流場。對顆粒間碰撞，主要存在兩種設(shè)想：一種是硬球模型，認(rèn)為碰撞是瞬時(shí)的彈性碰撞；另一種是軟球模型，將碰撞看作非彈性、非瞬時(shí)的。①硬球模型Alder和Wainwright于1957年首次在分子系統(tǒng)相間擴(kuò)散數(shù)值模擬中提出了硬球模型[35]；Tsuji等[36]人于1987年建立硬球顆粒動(dòng)力學(xué)模型，并將其應(yīng)用在水平管道內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的模擬，但其中只考慮顆粒與壁面碰撞而忽略了顆粒間的相互作用；Tanaka等利用該模型模擬了垂直管道中的氣固兩相流動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)顆粒間碰撞即使在稀顆粒濃度條件下也會對顆粒擴(kuò)散產(chǎn)生重大影響；Hoomans等人于1996年建立了二維流化床氣固兩相流動(dòng)的離散顆粒模型，并首次對流化床中的鼓泡、節(jié)涌以及快速流化床中的絮狀物形成和解表達(dá)象進(jìn)行了模擬。Hoomans模型的思想是在處理顆粒間碰撞時(shí)將一系列的碰撞過程處理成每一次只發(fā)生一次碰撞，通過建立顆粒碰撞，通過建立顆粒碰撞時(shí)間列表以確定最小的碰撞時(shí)間，采用事件驅(qū)動(dòng)方法來判定碰撞事件的發(fā)生，模型中直接考慮顆粒的物性參數(shù)，如顆粒彈性恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)，并根據(jù)牛頓第二定律直接求解單顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，模擬出流化床的鼓泡和節(jié)涌現(xiàn)象，并研究得出顆粒的彈性恢復(fù)系數(shù)影響顆粒的流化特性。通過應(yīng)用該方法對流化床的模擬，Hoomans等發(fā)現(xiàn)顆粒間的碰撞對氣泡的形狀有很大的影響，揭示了床內(nèi)氣泡形成的本質(zhì)因素；Lun等于1997年在該模型根底上開展了三維的硬球模型成功地模擬了低濃度氣固兩相流；2003年Li等利用Hoomans的模型研究壓力的變化對鼓泡床內(nèi)非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓力的升高將有利于產(chǎn)生均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)；歐陽潔和李靜海等[41-43]基于Hopkins[44]提出的硬球模型技術(shù)，即采用定時(shí)間步長的時(shí)間驅(qū)動(dòng)法來檢測顆粒間是否發(fā)生碰撞的方法，提出了搜索顆粒間碰撞事件的顆粒網(wǎng)格搜索技術(shù)建立了顆粒運(yùn)動(dòng)分解軌道模型，對于顆粒系統(tǒng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)的顆粒受到流體及相鄰顆粒的作用，顆粒的運(yùn)動(dòng)分解為顆粒間的碰撞過程和受氣體作用的懸浮過程，并服從碰撞動(dòng)力學(xué)中動(dòng)量守恒規(guī)律和牛頓力學(xué)中的力平衡方程，基于該模型模擬了流化床氣固兩相流動(dòng)非均勻結(jié)構(gòu)的鼓泡和節(jié)涌現(xiàn)象；劉陽和陸慧林等[45-46]結(jié)合大渦模擬與顆粒碰撞硬球模型，并提出了流體控制容積—顆?？刂迫莘e(FCV-PCV)顆粒碰撞優(yōu)化搜索計(jì)算，大大節(jié)約了硬球模型中搜索顆粒碰撞的事件驅(qū)動(dòng)法中的計(jì)算工作量；②軟球模型Tsuji等于1993年首先將顆粒軟球模型方法引入二維氣固兩相流化床流動(dòng)的數(shù)值模擬中，成功地模擬出顆粒循環(huán)運(yùn)動(dòng)和混合現(xiàn)象，該模型大大提高了離散顆粒數(shù)值模擬的計(jì)算能力；Xu等人對Tsuji的模型進(jìn)行了改良，建立了離散顆?！?jì)算流體力學(xué)(DPM-CFD)模型，采用較高的彈性常量參數(shù)和硬球搜索技術(shù)，得到了二維流化床中不同時(shí)間尺度下真實(shí)的顆粒流體動(dòng)力特性；Mikami等基于軟球模型與Cundall和Strack提出的巖石動(dòng)力學(xué)理論首先建立了三維的離散單元(DiscreteElementMethod,DEM)模型,并模擬了真正的三維流化床中粘性顆粒的流化運(yùn)動(dòng)。3.3隨機(jī)軌道模型隨機(jī)軌道模型主要考慮顆粒擴(kuò)散，它建立在瞬態(tài)顆粒動(dòng)量方程的根底上。式中，、、是顆粒的瞬時(shí)軸向、徑向及切向速度；及分別是氣體在三個(gè)方向上的對平均和脈動(dòng)速度。假設(shè)湍流各向同性及局部均勻，且隨機(jī)速度分布滿足GaussianPDF統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，氣體速度分布的隨機(jī)取樣為：，，。其中且是隨機(jī)數(shù)。將隨機(jī)的u、v、w代入方程計(jì)算和以及、、顆粒與隨機(jī)渦的相互作用時(shí)間可取為：3.4無滑移模型〔單流體模型〕3.4.1模型假設(shè)1.每一尺寸組的顆粒時(shí)均速度等于當(dāng)?shù)貧怏w時(shí)均速度，即〔動(dòng)量平衡，即無滑移〕；2.顆粒溫度或保持常數(shù)〔能量凍結(jié)〕，或等于當(dāng)?shù)貧怏w溫度〔能量平衡〕；3.顆粒相看作一種氣相組分，和其他氣相組分一樣以相同的速率擴(kuò)散〔擴(kuò)散平衡〕；4.顆粒群可以按初始尺寸分布分組，也可以按當(dāng)?shù)爻叽绶植挤纸M。5.在湍流兩相時(shí)均流動(dòng)方程組中，忽略氣體密度脈動(dòng)、相變的脈動(dòng)及阻力〔無滑移〕。3.4.2模型的建立氣相守恒方程的通用形式：式中，為氣相本身的源項(xiàng)，是氣固兩相相互作用產(chǎn)生的源項(xiàng)。表2單流體模型氣相方程組顆粒的連續(xù)方程或擴(kuò)散方程為：模型的評價(jià)：無滑移假設(shè)，無需顆粒動(dòng)量方程和能量方程與單相流體流動(dòng)方程相比，單流體模型僅增加了幾個(gè)顆粒相連續(xù)方程〔類似于氣相相組分?jǐn)U散方程〕，并在氣相方程中增加了顆粒源項(xiàng)，因此該模型相當(dāng)簡單。假設(shè)氣體和顆粒之間無速度與溫度滑移與實(shí)際不符，將導(dǎo)致其預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差很大。4多流體模型〔多連續(xù)介質(zhì)模型〕在湍流多相流動(dòng)時(shí)均勻方程組〔75〕—〔82〕的根底上，忽略氣體密度脈動(dòng)、顆粒質(zhì)量變化率的脈動(dòng)、阻力項(xiàng)的脈動(dòng)和非定常關(guān)聯(lián)項(xiàng)，得到一個(gè)簡化后的時(shí)均方程組。其中含有關(guān)聯(lián)量、、、、、、、、。統(tǒng)一二階矩模型中對上述關(guān)聯(lián)量進(jìn)行了?；?，從而可使方程組封閉對于無浮力的各向同性湍流氣固兩相流動(dòng)，統(tǒng)一二階模型可以退化為模型。模型中氣相與顆粒相時(shí)均方程組使用Hinze-Tchen的顆粒湍流粘性系數(shù)模型〔Ap模型〕封閉方程，那么稱為模型。其表達(dá)式為：此式是從顆粒追隨流體的概念出發(fā)得到的，由該式得到的顆粒湍流強(qiáng)度永遠(yuǎn)弱于氣體湍流強(qiáng)度，且顆粒尺寸越大，其湍流強(qiáng)度或湍流動(dòng)能越少。這些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非總是相符。5模型的比擬及結(jié)論單顆粒動(dòng)力學(xué)模型不考慮顆粒對流體流動(dòng)的影響，實(shí)際上是對細(xì)小的顆粒且濃度極低〔C<<1〕而言的。該模型是一個(gè)極為粗糙的簡化模型，盡管該模型簡單但是與實(shí)際兩相流動(dòng)問題有一些不符之處，因此，使用該模型時(shí)需謹(jǐn)慎，否那么很可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。無滑移模型將固相視為不同尺寸顆粒所組成的擬流體。由于假設(shè)顆粒與流體間無相對運(yùn)動(dòng)，顆粒相不存在獨(dú)立的動(dòng)量方程及能量方程，只需給出各顆粒組分的連續(xù)性方程。該模型也過于簡化，與實(shí)際情況仍有較大的差異，適用范圍受到了很大的限制。顆粒軌道模型在研究顆粒群運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際上是以各顆粒沿自身軌跡運(yùn)動(dòng)而互不干擾假設(shè)為前提的，因此，該模型只適于顆粒濃度很小的情況；而隨機(jī)軌道模型引入了漂移速度和漂移力對顆粒軌跡模型加以修正，將顆粒的速度及軌跡視為隨機(jī)變量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的平均方法來處理顆粒的紊流擴(kuò)散，在進(jìn)一步的改良中，該模型充分考慮了紊流脈動(dòng)頻譜和強(qiáng)度對顆粒群運(yùn)動(dòng)的影響，考慮了不同顆粒尺度的組分對紊流擴(kuò)散的影響。該模型得出結(jié)果的詳細(xì)信息與實(shí)驗(yàn)較為吻合，且預(yù)見性較強(qiáng)計(jì)算量相對較小，是本文最主要推薦的模型。總之，由于模型的假設(shè)條件不同，側(cè)重點(diǎn)不同，以及實(shí)際湍流問題的復(fù)雜性等因素使得沒有一個(gè)模型能很精確地得到實(shí)際問題的解，但是經(jīng)過比擬可以得到一個(gè)最優(yōu)的模型，便于對實(shí)際問題采取首選的模型，以便高效率地得出正確的結(jié)果。6Fluent中的多相流模型選擇6.1多相流分類氣液或液液流動(dòng)氣泡流動(dòng)：連續(xù)流體中存在離散的氣泡或液泡液滴流動(dòng)：連續(xù)相為氣相，其它相為液滴栓塞〔泡狀〕流動(dòng)：在連續(xù)流體中存在尺寸較大的氣泡分層自由流動(dòng)：由明顯的分界面隔開的非混合流體流動(dòng)。氣固兩相流動(dòng)粒子負(fù)載流動(dòng)：連續(xù)氣體流動(dòng)中有離散的固體粒子氣力輸運(yùn)：流動(dòng)模式依賴，如固體載荷、雷諾數(shù)和例子屬性等。最典型的模式有沙子的流動(dòng)，泥漿流，填充床以及各相同性流流化床：有一個(gè)盛有粒子的豎直圓筒構(gòu)成，氣體從一個(gè)分散器進(jìn)入筒內(nèi)，從床底不斷沖入的氣體使得顆粒得以懸浮。液固兩相流動(dòng)泥漿流：流體中的大量顆粒流動(dòng)。顆粒的stokes數(shù)通常小于1。大于1是成為流化了的液固流動(dòng)。水力運(yùn)輸：在連續(xù)流體中密布著固體顆粒沉降運(yùn)動(dòng)：在有一定高度的盛有液體的容器內(nèi)，初始時(shí)刻均勻散布著顆粒物質(zhì)，隨后，流體會出現(xiàn)分層。三相流動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)例氣泡流：抽吸、通風(fēng)、空氣泵、氣穴、蒸發(fā)、浮選、洗刷。液滴流：抽吸、噴霧、燃燒室、低溫泵、枯燥機(jī)、蒸發(fā)、氣冷、洗刷。栓塞流：管道或容器中有大尺度氣泡的流動(dòng)分層流：別離器中的晃動(dòng)、核反響裝置沸騰和冷凝粒子負(fù)載流：旋風(fēng)別離器、空氣分類器、洗塵器、環(huán)境塵埃流動(dòng)氣力輸運(yùn)：水泥、谷粒和金屬粉末的輸運(yùn)流化床：流化床反響器、循環(huán)流化床泥漿流：泥漿輸運(yùn)、礦物處理水力輸運(yùn)：礦物處理、生物醫(yī)學(xué)、物理化學(xué)中的流體系統(tǒng)沉降流動(dòng)：礦物處理。6.2模型介紹在FLUENT中提供的模型：VOF模型(VolumeofFluidModel)、混合模型(MixtureModel)、歐拉模型(EulerianModel)。6.2.1VOF模型(VolumeofFluidModel)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(shè)計(jì)算的每個(gè)控制容積中第一相的體積含量為α1，如果α1=0，表示該控制容積中不含第一相，如果α1=1，那么表示該控制容積中只含有第一相，如果0<α1<1，表示該控制容積中有兩相交界面；VOF方法是用體積率函數(shù)表示流體自由面的位置和流體所占的體積，其方法占內(nèi)存小，是一種簡單而有效的方法。6.2.2混合模型(MixtureModel)用混合特性參數(shù)描述的兩相流場的場方程組稱為混合模型；考慮了界面?zhèn)鬟f特性以及兩相間的擴(kuò)散作用和脈動(dòng)作用；使用了滑移速度的概念，允許相以不同的速度運(yùn)動(dòng)；用于模擬各相有不同速度的多相流；也用于模擬有強(qiáng)烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的多相流；缺點(diǎn)：界面特性包括不全，擴(kuò)散和脈動(dòng)特性難于處理。歐拉模型(EulerianModel)歐拉模型指的是歐拉—?dú)W拉模型；把顆粒和氣體看成兩種流體，空間各點(diǎn)都有這兩種流體各自不同的速度、溫度和密度，這些流體其存在在同一空間并相互滲透，但各有不同的體積分?jǐn)?shù)，相互間有滑移；顆粒群與氣體有相互作用，并且顆粒與顆粒之間相互作用，顆粒群紊流輸運(yùn)取決于與氣相間的相互作用而不是顆粒間的相互作用；各顆粒相在空間中有連續(xù)的速度、溫度及體積分?jǐn)?shù)分布。6.3多相流模型的選擇VOF模型適合于分層流動(dòng)或自由外表流，該模型能夠比擬好的反映多相流之間的界面情況。比方大的氣泡以比擬慢的速度在液體中流動(dòng)，氣液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各項(xiàng)物性參數(shù)，如密度，粘度等，是各相物性的體積平均值，所以要求各相的速度之間差異不能太大，否那么會對計(jì)算結(jié)果的精度影響很大。一般情況VOF采用非穩(wěn)態(tài)模擬比擬好。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其他離散相的值。Mixture模型，模型考慮了離散相和連續(xù)相的速度差，及相互之間的作用。但相與相之間是不相容的。動(dòng)量方程及連續(xù)方程等中各物性參數(shù)采用的是各相體積平均值。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其他離散相的值。Eulerian模型，此模型可以對各相進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算，每相都有單獨(dú)的守恒方程。據(jù)有很大的適應(yīng)性。但代價(jià)是由于要對各相都要進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算迭代，計(jì)算量非常巨大。Mixture和Eulerian模型適合于流動(dòng)中有混合或別離，或者離散相的體積份額超過10%－12％的情況。對于Mixture模型和Eulerian模型區(qū)別。如果離散相在計(jì)算域分布較廣，采用Mixture模