多相流模型-Fluent入門培訓(xùn)(安世亞太)

多相流模型FLUENT入門培訓(xùn)Introductory

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v6.3

December2006簡

介相是指在流場或者位勢場中，具有相同的邊界條件和動力學(xué)特性的同類物質(zhì).相一般分為固體，液體，氣體，同時也有其它的定義形式:–

具有不同化學(xué)屬性的材料，但具有相同的狀態(tài)和相（例如：液體－液體，油－水）液體由原相（primary）和次相的混合相（secondary）組成原相(primary)可以認為是連續(xù)介質(zhì)次相(secondary)認為是分散在原相中可能有很多混合相以不同的大小分布在不同的位置相反,多組分流（成分輸運）是一種可以用單一的速度和溫度來定義所有成分的流動。Primary

PhaseSecondaryPhaseIntroductory

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December2006選擇多相流模型為能選擇合理的模型，用戶需要推理得到下列形式的一些流動參數(shù):流動域微粒(連續(xù)介質(zhì)中的氣泡，液滴和固體顆粒)分層(流體分界面的長度和域的長度成正比)多相湍流模型在顆粒流動中，可以估計出顆粒體積填充量Stokes數(shù)Introductory

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December2006多相流的各種形式氣泡流－連續(xù)液體介質(zhì)中的離散氣

泡，例如：減震器，蒸發(fā)器，噴射裝置。液滴流－連續(xù)氣體介質(zhì)中的離散液滴，例如：噴霧器，燃燒室活塞流－大的氣泡在連續(xù)液體中層流/自由表面流－不能混合的流體有清晰的分離面，例如：自由表面流粒子流－連續(xù)液體中的固體顆粒，例如：旋轉(zhuǎn)分離器，空氣清新器，吸塵器，塵埃環(huán)境流流動層－流動層反應(yīng)堆泥漿流–液體中的質(zhì)點流，固體懸浮液，沉淀，和水力輸運Gas/LiquidLiquid/LiquidGas/SolidLiquid/SolidSlugFlowBubbly,

Droplet,

orParticle-Laden

FlowStratified

/Free-Surface

FlowPneumatic

Transport,Hydrotransport,

or

SlurryFlowSedimentationFluidized

BedIntroductory

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December2006填充體積和微粒填充體積–分散型或者密集型–

這個和混合相（

secondary

phase）的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)–

分散型(<10%),內(nèi)部顆粒間的距離大于顆粒直徑兩倍，因此，顆粒間的相互作用可以忽略。密集型–散布率和連續(xù)相慣量

1,

two

way

coupling

1,

one

way

couplingcont

cont

part

partVolume

Fraction

Volume

of

the

phase

in

a

cell/domainVolume

of

the

cell/domainVprimaryVcellVsecondary演示者2008-09-1008:51:19--------------------------------------------LightParticulateloading<10%10%

<

Moderate

loading

<

50%High

particulate

loading

>

50%Introductory

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December2006多相流中的湍流模型多相流中的湍流模型非常具有挑戰(zhàn)性。如今，單相湍流模型（例如k–ε和RSM）只是用在基礎(chǔ)相的湍流模型計算中?？紤]到混合相，湍流方程需要更多的項來建立湍流模型。如果相離散而且密度比例為1，或者顆粒分布是分散性，混合物質(zhì)便可以用單相模型來表達。其它情況時，可能依然使用單相模型，或者使用“粒子成分修正”模型。Introductory

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December2006Stokes數(shù)系統(tǒng)載入媒介粒子時，根據(jù)Stokes數(shù)選擇合適的模型。–

Stokes數(shù)(St)是粒子(分散內(nèi)相)時間松弛系數(shù)(τd)和流動特征時間比例(τc)的比值。D

和U

是問題中的特征長度和速度標(biāo)量。如果St<<1,粒子流動將會跟隨流場流動。如果St>1,

粒子流動獨立于流場流動。St

dc

d

d

其中.

d18

d

2

cDUc，

Introductory

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December2006混合物質(zhì)相在FLUENT中所有的混合模型，任何相都可以看成是由一種材料或者由混合物質(zhì)組成。混合相的材料定義和單相流中的定義一樣。可以建立不同類的反應(yīng)(屬于不同相中反應(yīng)物和產(chǎn)物間的反應(yīng)).–

這個意味著不同類反應(yīng)將會導(dǎo)致界面間的質(zhì)量傳遞。Introductory

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December2006FLUENT中的混合模型粒子流模型離散相模型(DPM)混合相模型歐拉混合多相流模型層流模型VOF模型DefineModelsMultiphase…DefinePhases…Introductory

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December2006離散相模型Introductory

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December2006離散相模型(DPM)拉格朗日計算方法下粒子/液滴/氣泡的軌跡。粒子可以通過連續(xù)氣體介質(zhì)交換熱量、質(zhì)量和動量。每條軌跡都是由一組初始條件相同的粒子形成。粒子與粒子間的相互作用可以忽略?？梢允褂秒S機軌跡或者“粒子云團”來建立湍流散布模型。幾種有效的子模型方法:散布相的加熱/冷卻流體液滴的汽化和蒸發(fā)燃燒粒子的揮發(fā)演變和燃燒噴霧模型中液滴的分裂和融合腐蝕/衍生Introductory

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December2006DPM模型的適用條件流域:填充體積:填充粒子:建立湍流模型:Stokes數(shù):氣泡流,液滴流,粒子流必須是分散型(體積率<12%)少量到適中相之間的弱結(jié)合和強結(jié)合所有Stokes數(shù)案例氣旋噴霧干燥器粒子的分離和分類浮質(zhì)散布液體燃料媒的燃燒Introductory

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December2006DPM

案例–噴霧干燥器仿真使用FLUENT中DPM模型模擬仿真噴霧干燥過程，包括液體噴霧進入加熱室接觸干燥粉末時的流動，熱交換和質(zhì)量交換。優(yōu)化噴霧干燥器中的不同參數(shù)時，CFD仿真技術(shù)起到不可或缺的作用。Air

and

methaneinletsCenterline

forparticle

injectionsOutletPath

Lines

Indicatingthe

Gas

Flow

FieldIntroductory

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December2006噴霧干燥器仿真(2)Contours

ofEvaporated

WaterInitial

particle 1.1mm 0.2mmDiameter:

2

mmStochastic

Particle

Trajectories

for

Different

Initial

DiametersIntroductory

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December2006歐拉多相模型Introductory

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December2006歐拉多相模型歐拉多相模型是一種平均N-S方程，可以計算任意粒子和連續(xù)相物質(zhì)。結(jié)果是每相守恒方程的集合(連續(xù)相+N種粒子媒介)。兩相同時共存:每相的守恒方程都包涵單相項（壓力梯度，導(dǎo)熱率等）＋分界面項。分界面項包括動量（升力），熱量和質(zhì)量交換。這些方程很難收相交，因為都是些非線性的比例項，機械上的（相間的速度差分），熱上的（溫度差分）。加上模型多種多樣（湍流模型等）。Introductory

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December2006歐拉模型中的粒狀選項當(dāng)含有高濃度的固體顆粒時，就會產(chǎn)生粒狀流，粒子間的作用將時常發(fā)生。粒子將被相似的考慮為有一定密度，分子相互碰撞的云團組成。粒子相需要考慮分子云團的概念。這個理論需要在連續(xù)相和粒子相的動量方程中增加表面附加項粒子速度變化強度決定這些項(粒狀“粘性”,“壓力”等)的大小。動能和粒子的速度變化表現(xiàn)為“假熱（pseudo-thermal）”或者粒狀溫度?？紤]進粒狀項的不可伸縮性。Introductory

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December2006歐拉模型的適用條件流域填充體積填充粒子湍流模型Stokes數(shù)氣泡流,液滴流,泥漿流,流動層,粒子流稀釋密度低濃度到高濃度相間的弱結(jié)合和強結(jié)合所有案例高濃度粒子載流泥漿流沉淀水力運輸流動層冒口填充層反應(yīng)堆Introductory

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December2006歐拉模型案例–三維氣泡柱Iso-Surface

ofGasVolume

Fraction

=

0.175Liquid

Velocity

Vectorsz

=

5

cmz

=

10

cmz

=

15

cmz

=

20

cmIntroductory

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December2006歐拉模型案例–循環(huán)流動層Contours

of

Solid

Volume

FractionIntroductory

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December2006Courtesy

of

Fuller

Company混合模型Introductory

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December2006混合模型混合模型是一種建立多相流模型的簡化歐拉方法。簡化的基礎(chǔ)是假設(shè)Stokes數(shù)非常小(粒子和基礎(chǔ)相的速度大小相等，方向相同)。解算混合動量方程（平均質(zhì)量混合速度）和得出描述散布相的相對速度。界面間的物質(zhì)傳遞和相對速度有關(guān)，這個代數(shù)關(guān)系建立在St<<1

的情況下。這也就表示分離的相不能使用混合模型來建立。如果需要，混合模型中同樣也能納入湍流和能量方程。為每個混合相解算相應(yīng)的體積率輸運方程。對氣穴現(xiàn)象非常有效的子模型(詳細請參見附錄).Introductory

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December2006混合模型適用條件流域:體積載荷:粒子載荷:湍流模型:Stokes數(shù):氣泡,液滴和泥漿流分散適當(dāng)密度弱到中等相之間的弱作用St

<<

1案例水力漩流器氣泡柱狀反應(yīng)堆固體懸浮液噴射氣流Introductory

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December2006混合模型案例–噴射氣流使用混合模型模擬仿真氮氣噴射進入攪動箱的過程，通過MRF技術(shù)對旋轉(zhuǎn)噴流葉片進行模擬仿真。FLUENT

模擬仿真對攪動系統(tǒng)中的氣流截阻進行了很好的預(yù)估。Contours

of

GasVolumeFractionatt=15sec.Water

Velocity

Vectorson

a

CentralPlaneIntroductory

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December2006VOF模型Introductory

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December2006VOF模型VOF模型是設(shè)計用來計算兩種或者多種不相容流體分界面位置軌跡的方法。軌跡是通過解算已經(jīng)很成熟的連續(xù)相方程得到的－－通過求出體積分量中急劇變化的點來確定分界面的位置。通過使用混合材料屬性來解算混合流體動量方程，因此在分界面上，混合流體材料屬性會有個跳躍?；旌狭黧w同樣考慮了湍流方程和能量方程。表面張力和壁面效應(yīng)都在考慮的范圍之內(nèi)。相是可壓的，而且是混合物。Introductory

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December2006分界面插值方法在FLUENT中，為了獲得表面流量，標(biāo)準(zhǔn)的插值方法假設(shè)每個單元只有一種相。方法如下:幾何重建默認的方法，只能應(yīng)用與非定常流，不考慮數(shù)值差分，要求很高的網(wǎng)格質(zhì)量歐拉顯式只能應(yīng)用與非定常流，在差的網(wǎng)格單元上有固定的數(shù)值差分方法–使用高階VOF離散（highorder

VOF

discretization）

(HRIC,CICSAM)歐拉隱式定常和非定常都使用相同的求解器，在差的網(wǎng)格單元上有固定的數(shù)值差分方法–使用高階VOF離散(HRIC,CICSAM)vaporliquidvaporliquidActual

interface

shapeGeo-reconstruct(piecewise

linear)SchemeIntroductory

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December2006VOF模型的適用性流域體積載荷粒子載荷湍流模型Stokes數(shù)活塞流，層流/自由表面流分散型和密集型弱到強相之間的弱作用到中等作用所有案例大型活塞流動倒水（

Filling

）波浪（

Offshore

separator

sloshing

）沸騰（

Boiling

）涂層（

Coating

）Introductory

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December

2006VOF模型案例–晃動的汽車油箱在FLUENT中使用

VOF模型，仿真模擬各種加速環(huán)境下，汽車油箱中液體的晃動（自由表面移動）。通過仿真手段，我們可以看出，使用油箱底部隔板時（下圖），始終能保持輸油管口淹沒在油當(dāng)

中，而沒使用隔板時（上圖），輸油管口則有時會露在油面之上。Fuel

Tank

Without

BafflesFuelTankWithBafflest

=

1.05

sect

=

2.05

secIntroductory

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December

2006VOF模型案例–水平薄膜狀沸騰Plots

showing

the

rise

of

bubbles

during

the

film

boilingprocess(the

contoursof

vaporvolume

fractionare

showninred)Introductory

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December2006概要根據(jù)各人的需要，主要是從流動形態(tài)，體積載荷，粒

子載荷，湍流和Stockes數(shù)方面，可以選擇合適的模型。使用VOF模型模擬自由表面流和層流。使用歐拉粒狀模型模擬高度粒子載荷流。按Stokes數(shù)從低到中，可以對粒子載荷流進行分類：如果St>1,混合模型不適用，但是我們可以使用DPM或者歐拉方法。如果St

1,所有模型都適用，這時就需要考慮計算速度和其它的因素。減少低松弛因子可以更好的解決方程相之間的強結(jié)合問題。用戶應(yīng)該了解各種模型的優(yōu)勢和劣勢。Introductory

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December2006附錄Introductory

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December2006建立離散相模型(DPM)DefineModelsDiscrete

Phase…DefineInjections…DisplayParticleTracks…Introductory

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December2006DPM

模型邊界條件EscapeTrapReflectWall-jetIntroductory

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December2006混合模型方程解算混合物連續(xù)性方程解算每個混合相體積率之間的交換方程解算混合物動量方程

nrrk

k

k k

Tm

mmm

m

m

mm

t

k

1u

u

(

u

)

u

u

p

(

u

u

)

g

F

m

m

t

m

u

m·rk

k

m

k

k

kk

k

u

u

t

n混合屬性的定義m

k

kk

1

Nk

k

kmk

11

uum

mkkr

r

r

uur

u

nm

k

kk

1Drift

velocityIntroductory

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December2006混合模型設(shè)置(1)DefineModelsMultiphase…DefinePhases…Introductory

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December2006混合模型設(shè)置(2)邊界條件為每個混合相設(shè)置體積率。為定義相的初始位置，在初始化后，設(shè)置相的體積率。Introductory

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December2006氣穴模型氣穴模型是模擬當(dāng)本地流體壓力低于蒸汽壓力時，氣泡的形態(tài)。氣體是不可壓縮的。使用了質(zhì)量守恒方程，來解決蒸汽相中蒸汽的產(chǎn)生和濃縮。這些現(xiàn)象和當(dāng)?shù)貕毫?，還有蒸汽的飽和壓力有關(guān)。（當(dāng)存在可壓縮氣體時要進行校正）通常使用混合模型，相反便使用VOF模型。指南中有對設(shè)置程序更加深入的說明。Introductory

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December2006nqq

q

qpq

pq

q

q

q

q

lift

,q

vm,q

u

u

p

g

τ

q

q

q

q

q

q

q

u

p

1

R

m·

u

F

F

F

歐拉多相模型方程連續(xù)方程:第q

相的動量方程:內(nèi)部相力交換的表達式為:而且:可以用同樣的方法為第q相建立能量方程

n

q

q

t

u

m·q

q

q

pqp

1pq

p

qpqR

K

u

u

Fpq

Fqp

ttransientshearinterphaseinterphase

massforces

exchangeexchangeexternal,

lift,

andvirtual

mass

forcesVolume

fraction

for

the

qth

phaseconvection

pressure

bodySolids

pressure

term

is

includedfor

granular

model.Exchange

coefficientIntroductory

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December2006歐拉多相模型方程同類和不同類的反應(yīng)，都使用和單相中相同的設(shè)置。屬于不同的相中的介質(zhì)可能相同，但是他們之間沒有任何聯(lián)系。

n

p

q q

piq

q

q

qi

iq

qiq

qiq

q q

q q

j

ii

j

Y

tp

1·m·

m

u

Y

J

R

S

transientconvectivediffusionhomogeneousrea