多物理場耦合分析

1、Lecture 6 ANSYS CFD Multiphase,Introduction to ANSYD CFD,Multiphase in ANSYS CFX,Introduction to ANSYD CFD,Multiphase Applications,Chemical and Process Industry Gas cleaning Fluidized bed reactors Bubble columns Polymer production Mixers Dryers Power Generation Droplet combustion Coal combustion Con

2、densation 相動量方程 Eulerian-Lagrangian: 追蹤離散相軌跡; 常微分方程求解軌跡粒子(F = ma) 簡化的多組分方法 代數(shù)滑移(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model) 發(fā)生相變的亮相流體的平衡模型(equilibrium model) 單相動量方程; 或輸運(yùn)方程(代數(shù)滑移) 或以不同組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示不同相的代數(shù)方程 (平衡模型),Modeling Approaches,不同的多相流流動采用的方法是不同的. 方法是否合適取決于多相流流動的特性和相關(guān)的物理現(xiàn)象. 簡化的多組分方法 發(fā)生相變的兩相平衡模型(equilibriu

3、m model) 假定質(zhì)量輸運(yùn)很快 考慮混合物(液體和其蒸氣)的能量和焓的代數(shù)表達(dá)式計算出體分?jǐn)?shù) 由計算得到的液體和其蒸氣的體分?jǐn)?shù)計算混合物的屬性 代數(shù)滑移(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model) 假定粒子立刻達(dá)到最終速度(小顆粒, 忽略拽力) 代數(shù)滑移相以質(zhì)量分?jǐn)?shù)方式表示 完全的多相流分析 Eulerian-Eulerian: 體分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程 Eulerian-Lagrangian: 離散相軌跡追蹤,Eulerian-Eulerian Approach,相和相之間形成連續(xù)統(tǒng)一體 相和相之間的混合尺度大于分子尺度而小于求解尺度. 相和相之間分享同樣的空

4、間體積. 各相都以指定的體分?jǐn)?shù)占據(jù)每個控制體(單元). 求解各相的連續(xù)性方程得到各相的體分?jǐn)?shù). 一般來說, 各相都有各自的場變量(field variables). 假定相間變量相同( homogeneous) 對相間的能量, 質(zhì)量和動量輸運(yùn)進(jìn)行耦合計算. 相間輸運(yùn)模型(transfer models)對不同的問題有不同的經(jīng)驗輸入.,每一相的連續(xù), 動量, 能量, 和通常的標(biāo)量守恒方程. N套耦合的偏微分方程 (u, v, w, p, T, vf)1 (u, v, w, p, T, vf)2 (u, v, w, p, T, vf)N 6 + 6 + unknowns 5 + 5 + 5 equ

5、ations vf1+vf2 + = 1 p1=p2=pN 對homogeneous處理方法, 假定兩相處體分?jǐn)?shù)外有相同的場變量 (field variables) 總的計算量更少, 經(jīng)常用于自有液面問題 對inhomogeneous方法, 相間僅僅壓力場共享,Eulerian-Eulerian Approach,Effect of Averaging,通常, 假定任何給定的單元包含一定數(shù)量的離散相粒子, 液滴, 或空泡. 在任何給定單元包含的離散相的數(shù)目與體分?jǐn)?shù)相等. 相加權(quán)平均 離散粒子, 液滴, . 統(tǒng)計概率 (volume fraction) 與相間結(jié)構(gòu)無關(guān),一般變量的輸運(yùn)方程. 這些

6、方程除了考慮了加權(quán)平均的體分?jǐn)?shù)ra及添加了相間輸運(yùn)相外與單相流的輸運(yùn)方程有相同的形式: 在等式右邊有兩套源項. 第一項是標(biāo)準(zhǔn)的體分?jǐn)?shù)加權(quán)項. 第二項是相間輸運(yùn). 對兩相流來說: 這里 是由于能量(熱)變化或動量(拽力)變化引起的相間輸運(yùn)項,Eulerian Transport Equation,Continuity and Momentum,相的連續(xù)方程: 動量方程: ANSYS CFX里內(nèi)置一系列相間拽力系數(shù)模型(interphase drag coefficient ). 從連續(xù)方程可以看出相間質(zhì)量輸運(yùn)項位于等式右邊.,人口平衡/MUSIG Model,在標(biāo)準(zhǔn)Eulerian-Euleri

7、an應(yīng)用中, 離散相僅以單一直徑的方法描述. 實際上在大多數(shù)情況下, 離散的液滴和空泡可能在流體力的作用下發(fā)生融合或破碎使得離散相直徑發(fā)生變化. MUSIG Model Multiple Size Group model 離散相包含一系列不同尺寸的離散顆粒 對應(yīng)于population balance方法 在默認(rèn)的homogeneous方法上, 所有不同直徑的顆粒移動速度相同 可預(yù)測不同大小的顆粒的分布, 對應(yīng)流體力和融合或分散現(xiàn)象的發(fā)生局部平均尺寸和相間面積會發(fā)生變化,Eulerian-Lagrangian Approach,對Eulerian-Lagrangian方法, 連續(xù)相以先前的方式進(jìn)

8、行描述, 但是對一個 或多個離散相對具有代表性的粒子軌跡追蹤的方法進(jìn)行描述. 對Eulerian相, 求解所有因變量(速度, 溫度, 等.)的PDE(偏微分方程) 對Lagrangian相, 將運(yùn)動顆?？醋鬟\(yùn)動質(zhì)點, 求解ODE(常微分方程) : F = ma = m d2X/dt2 Eulerian 和 Lagrangian相依然由于動量, 能量和質(zhì)量變化相互作用 離散顆粒尺寸變化的情況下, 可采用Lagrangian方法,Force Balance on a Single Particle,粒子動量方程 空氣動力學(xué)和質(zhì)量力平衡,Single Particle Forces,Algebrai

9、c Slip Model,簡化的多組分流模型 對滑移/漂移速度(slip/drift velocities)采用代數(shù)方程(algebraic equation) 想見幫助 Advantages: 減少CPU時間 降低復(fù)雜度 Limitations: 離散相密度和顆粒直徑必須較小 (假定瞬時達(dá)到最終速度) 忽略非拽力(Nondrag forces are negligible),Algebraic Slip Model in ANSYS CFX,ANSYS CFX里的應(yīng)用 單相多組分流模型(Single-phase multi-component model) 設(shè)置連續(xù)相作為約束組分 設(shè)置每個離

10、散相為“代數(shù)滑移”組分: 拽力平衡(Drag force balance) 求解器計算滑移速度, 給定一顆粒拽力律(drag law, 如, Schiller Naumann). 滑移速度,湍流擴(kuò)散 采用標(biāo)準(zhǔn)的梯度擴(kuò)散假設(shè)(standard gradient diffusion hypothesis), 由湍流Prandtl數(shù)控制 能量輸運(yùn) 由滑移流動進(jìn)行能量輸運(yùn). 壁面沉積(Wall deposition) 可設(shè)Wall為deposition walls. 離散相從系統(tǒng)中移除, 以約束相取代. 后處理可以出來沉積率(Deposition rate),Algebraic Slip Model

11、in ANSYS CFX,Algebraic Slip Model in ANSYS CFX,后處理變量: Mass fraction Volume fraction Deposition rate Slip velocity Drift velocity 模型缺陷: 連續(xù)相和離散相自身不能是可變組分的混合物,例如: L-bend, joined by GGI Gravity in x-direction Deposition wall on side and bottom Three particle groups: Small: 1.E-6 m Medium: 1.E-5 m Large:

12、 1.E-4 m Schiller-Naumann drag law,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Equilibrium Multiphase Models,在某些情況下, 不關(guān)心兩相流行為的細(xì)節(jié)的描述, 而關(guān)心兩相混合后的流體屬性. 例如濕蒸氣流或制冷劑蒸氣流. 在平衡方法(equilibrium approach)中, 假定兩相混合

13、物處于混合質(zhì)量平衡態(tài), 由混合物中各相的焓決定: x = (hmixture - hl)/(hv - hl) 混合物的飽和屬性以Homogeneous Binary Mixture定義.,Equilibrium Multiphase Models,用homogenous binary mixture定義兩組分的飽和屬性 (如. 液體和蒸氣 homogeneous binary mixture通常用于流體域定義單個流體 指定其中一個組分 (如. liquid or vapor) 的平衡分?jǐn)?shù)(equlibrium fraction) .,Equilibrium Model Example,Impo

14、rting materials from the Redlich-Kwong library,Equilibrium Model Example,Equilibrium Model Example,Homogeneous Binary Mixture,Multiphase in ANSYS FLUENT,Introduction to ANSYD CFD,FLUENT的多相流模型,FLUENT 包括四種不同的多相流模型: Discrete Phase Model (DPM) Volume of Fluid Model (VOF) Eulerian Model Mixture Model 選擇合

15、適的模型非常重要 取決于流體是否離散以兩相間的長度尺度界定 還需考慮Stokes數(shù) (顆粒松弛時間和流體特征時間的比例),Volume and Particulate Loading,體積加載(Volume Loading) 稀疏 .vs. 稠密 次要相的容積分?jǐn)?shù) 稀疏加載時 (小于10%),顆粒間的平均距離是顆粒直 徑的兩倍. 此時可忽略顆粒間的相互作用. 粒子加載(Particulate Loading)彌散相與連續(xù)相的慣性力比.,多相流湍流模擬,多相流的湍流模擬是極具挑戰(zhàn)性的. 目前, 只使用單相流湍流模型(如k 或 RSM)模擬主相的湍流運(yùn)動情況. 湍流方程包含由次要相引起的其它湍流修

16、正項. 如果兩相分離, 同時相與相之間的密度比接近1, 或顆粒容積分?jǐn)?shù)較低 ( 10%), 可用單相模型描述表征混合相的特征. 對其它問題, 也采用單相模型或顆粒修正模型.,多組分相(Mixtures of Species),FLUENT內(nèi)的所有多相流模型，任意相都可以是單物質(zhì)或多組分物質(zhì). 相混合物的材料定義和單相流相同. 可模擬異相反應(yīng) (反應(yīng)物和生成物可屬于不同的相). 這表明異相反應(yīng)會導(dǎo)致在交界面發(fā)生質(zhì)量傳遞.,離散相模型概述,在拉格朗日參考系中計算顆粒，液滴及氣泡的軌跡. 顆?？梢耘c連續(xù)相（氣相）進(jìn)行熱量，質(zhì)量和動量交換. 每一條軌跡線代表一組初始條件相同的顆粒. DPM 忽略顆粒間

17、的碰撞及其它相互作用. 湍流對顆粒運(yùn)動的影響可使用隨即跟蹤（最常用的方法）或顆粒云團(tuán)模型來模擬l. 子模型 熱傳遞, 蒸發(fā)/沸騰, 燃燒, 破碎/融合, 腐蝕/增生. DPM 應(yīng)用 流動范圍: 氣泡流, 液滴流, 顆粒加載流 體積加載: 必須是稀疏的 (容積分?jǐn)?shù) 12%) 粒子加載: 低中 Stokes 數(shù): 所有 應(yīng)用案例 Cyclones Spray dryers Particle separation and classification Aerosol dispersion Liquid fuel Coal combustion,離散相模型設(shè)置,Define,Models,Discre

18、te Phase,Define,Injections,Display,Particle Tracks,DPM 邊界條件,Escape Trap Reflect,Wall-jet,歐拉多相流模型,歐拉多相流模型屬于多流體模型. 所有相同時存在. 每一相都有對應(yīng)的守恒方程組 (壓力梯度，熱傳導(dǎo)等.) 守恒方程組里包含界面交換項 (阻力，升力，質(zhì)量傳遞等.). 界面交換項通常是非線性的，因此，有時收斂會存在困難. 歐拉模型的應(yīng)用 流動范圍 Bubbly flow, droplet flow, slurry flow, fluidized bed, particle-laden flow 體積加載 稀

19、疏稠密 顆粒加載 低高 Stokes 數(shù) 所有 應(yīng)用案例 High particle loading flows Slurry flows Sedimentation Fluidized beds Risers Packed bed reactors,Eulerian Multiphase Model Equations,Continuity: Momentum for qth phase: The inter-phase exchange forces are expressed as: In general: Energy equation for the qth phase can be

20、 similarly formulated.,transient,convection,pressure,shear,interphase forces exchange,interphase mass exchange,body,external, lift, and virtual mass forces,Volume fraction for the qth phase,Solids pressure term is included for granular model.,Exchange coefficient,歐拉模型方程,第q相混合物組分i的多相流組分輸運(yùn)方程 均相及異相反應(yīng)的設(shè)

21、置與單相相同 相同組分可屬于不同相，但之間無任何關(guān)系,transient,convective,diffusion,homogeneous reaction,homogeneous production,heterogeneous reaction,Mass fraction of species i in qth phase,歐拉模型設(shè)置,Define,Models,Viscous,Define,Phases,混合模型設(shè)置,基于小Stokes 數(shù)的假設(shè)，混合模型是簡化的歐拉模型. 求解混合物動量方程 (質(zhì)量平均混合速度) 對每一個次要相求解容積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程. 混合模型應(yīng)用 流動范圍: Bub

22、bly, droplet, and slurry flows 體積加載: 稀疏適當(dāng)稠密 顆粒加載: 低中 Stokes 數(shù): St 1 應(yīng)用案例 Hydrocyclones Bubble column reactors Solid suspensions Gas sparging,混合模型方程,求解混合物連續(xù)性方程 求解每一次要相容積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程 求解混合物動量方程 混合物參數(shù)定義如下:,Drift velocity,混合模型設(shè)置,Define,Models,Multiphase,Define,Phases,邊界條件 定義次要相容積分?jǐn)?shù). 使用patch初始相的位置.,混合模型設(shè)置,空化模型,

23、空化模型用來模擬局部液體壓力低 于蒸汽壓時氣泡的生成. 考慮非凝結(jié)氣體的作用. 蒸汽守恒方程中包含蒸汽生成和冷 凝項，而這兩項與局部壓力和飽和 蒸汽壓差值的正負(fù)號相關(guān) (考慮非冷凝氣體的存在). 通常和混合模型一起使用，不兼容VOF模型.,歐拉粒子模型設(shè)置,在定義次要相時激活粒子選項. 需要定義粒子特性參數(shù). 選擇合適的相作用模型.,VOF模型概述,VOF模型用來跟蹤兩種或多種不相容流體分界面的位置及運(yùn)動. VOF 模型可考慮: 湍流，能量及組分輸運(yùn) 表面張力及壁面粘滯作用 相的可壓縮性 VOF 模型應(yīng)用: 流動范圍 Slug flow, stratified/free-surface flo

24、w 體積加載 稀疏稠密 顆粒加載 低高 湍流模擬 相間弱到中等程度的耦合 Stokes 數(shù) 所有 應(yīng)用案例 Large slug flows Tank filling Offshore separator sloshing Coating,VOF 模型設(shè)置,Define,Models,Multiphase,Define,Phases,Define,Operating Conditions,Operating Density should be set to that of lightest phase with body forces enabled.,應(yīng)用于多相流的UDFs,當(dāng)激活多相流模型

25、的時候, 與單相計算類似也需設(shè)置多相的性質(zhì)和變量. 需要thread和domain數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(thread 和 domain data structures ). 通常宏DEFINE 用于定義thread或 domain (mixture或phase). 若thread是mixture thread或phase densities , C_R(cell,thread) 返回mixture density.,Mixture Thread,Phase 1 Domain,Phase 3 Domain,Phase Thread,Interaction Domain,Domain ID =,2,3,4,1,5,Domain ID,DPM 案例 Spray Drier,噴霧干燥(Spray)器的模擬, 包括液體以霧狀方式噴入加熱的容器中 ,用DPM模擬流動、傳熱、傳質(zhì)過程.,Contours of Evaporated Wate