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A Pera Global Company PERA China ANSYS FLUENT 培训教材 第八节：物理模型 安世亚太科技（北京）有限公司 A Pera Global Company PERA China 概要 多相流模型 Discrete phase model Eulerian model Mixture model Volume-of-fluid model 化学反应模型 Eddy dissipation model Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models Detailed chemistry models Pollutant formation Surface reactions 动网格 Single and multiple reference frames Mixing planes Sliding meshes Dynamic meshes Six-degree-of-freedom solver A Pera Global Company PERA China 多相流模型 A Pera Global Company PERA China 简介 相具有可定义的边界，对周围流场有特定的动力响应 相一般分为固体、液体和气体，但也指其他形式：有不同化学属 性的材料，但属于同一种物理相（如液-液） 多相流体系统分为一种主流体相和多种次流体相 其中一种流体是连续的（主流体） 其他相是离散的，存在于连续相中 可以有多种次流体相，代表不同尺寸的颗粒 Primary Phase Secondary phase(s) A Pera Global Company PERA China 多相流体系 气泡流 连续液体中存在离散的气 泡，如气体吸收器，蒸发设备，鼓 泡设备 液滴流 连续气体中的离散液滴， 如喷雾器、燃烧器 柱塞流 连续液体中的大尺度气泡 分层 / 自由表面流 不相溶的流体被 清晰的界面分开，如自由表面流 颗粒流 连续气体中的离散固体颗 粒，如旋风分离器，空气净化器， 吸尘器 流化床 流化床反应器 泥浆流 液体中的固体颗粒，固体 悬浮、沉积、液力输运 气气/液液 液液/液液 气气/固固 液液/固固 Pneumatic Transport, Hydrotransport, or Slurry Flow Fluidized Bed Sedimentation Stratified / Free- Surface Flow Slug Flow Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow A Pera Global Company PERA China FLUENT中的多相流模型 FLUENT 包括四种不同的多相流模型: Discrete Phase Model (DPM) Volume of Fluid Model (VOF) Eulerian Model Mixture Model 选择合适的模型非常重要 取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个 区别 Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例）也应该考 虑进来 A Pera Global Company PERA China DPM 例子-喷雾干燥 喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中，用DPM模拟 流动、传热、传质过程 Contours of Evaporated Water Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters Initial particle Diameter: 2 mm 0.2 mm 1.1 mm A Pera Global Company PERA China 欧拉模型的例子 三维气泡床 Liquid Velocity Vectors Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175 z = 5 cm z = 10 cm z = 15 cm z = 20 cm A Pera Global Company PERA China 欧拉模型中的粒状选项 当存在高浓度的固体颗粒时，会导致颗粒 间高频率的碰撞，此时应选Granular 假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞 行为，对颗粒相使用分子云理论 应用这个理论后，连续相和颗粒相的动量 方程都增加了附加应力 这些应力 (颗粒 “粘性”, “压力” 等.) 由颗 粒速度脉动强度确定 伴随颗粒速度脉动的动能由拟热 “pseudo-thermal” 或颗粒温度代表 不考虑颗粒的弹性变形 Contours of Solids Volume Fraction for High Velocity Gas/Sand Production Gas / Sand Gas Gravity A Pera Global Company PERA China 混合模型案例 气体鼓泡 用混合模型模拟氮气 喷入混合器中的流动， 用MRF方法模拟旋转 叶片的效应 FLUENT 很好的模拟了 气体的停顿和搅动过 程。 Animation of Gas Volume Fraction Contours Water Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec. A Pera Global Company PERA China VOF 案例 汽车油箱晃动 模拟不同加速条件下， 液体在汽车油箱中的 自由液面晃动 模拟显示油箱底部的 挡板可以保持入油口 浸没在油中，如果没 有挡板时，入油口在 某些时间会露出油面 Fuel Tank Without Baffles t = 1.05 sec t = 2.05 sec Fuel Tank With Baffles A Pera Global Company PERA China Discrete Phase Model 唯一的Lagrange方法 不考虑粒子间的碰撞 不受Stokes数大小的限制 VOF Model FLUENT Euler型多相流模型中较简单的模型（不能模拟粒子运 动） 相间的分子扩散可以忽略时，能得到较好的结果 可以计算液滴与气泡的分裂和合成 最小液滴与气泡受网格大小限制 Mixture Model FLUENT Euler型多相流模型中较简单的模型 受Stokes数大小的限制 Mixture Model (Granular) 计算负荷比Euler Granular模型要小 Euler Model 多相流模型中适用范围最广 不受Stokes数大小的限制：有时可以用Mixture Model替代 计算费用较大 Euler Granular Model 可以考虑粒子的堆积和摩擦 计算费用最大 所 有 模 型 都 可 以 考 虑 化 学 反 应 各 种 模 型 的 特 长 A Pera Global Company PERA China 化学反应流 A Pera Global Company PERA China Temperature in a Gas Furnace CO2 Mass Fraction Stream Function 化学反应流的应用 FLUENT 包含了从计算均相反应到非均相反应的多个反应模型 炉子 锅炉 热处理炉 燃气轮机 火箭发动机 内燃机 CVD, 催化反应 反应流一般预测 流动和混合 温度 组分浓度 颗粒和污染 A Pera Global Company PERA China 背景知识 模拟燃烧中的化学反应 快速化学反应 全局化学反应机理（有限速率/涡耗散） 平衡/小火焰模型（混合分数） 有限速率反应 流动结构 非预混反应系统 可简化为混合系统 预混反应系统 冷态反应物传播到热的生成物中. Fuel Oxidizer Reactor Outlet Fuel + Oxidizer Reactor Outlet Fuel + Oxidizer Reactor Secondary Fuel or Oxidizer Outlet A Pera Global Company PERA China 化学反应化学反应 流动结构流动结构 Premixed Non- Premixed Partially Premixed Fast Chemistry Eddy Dissipation Model (Species Transport) Premixed Combustion Model Non-Premixed Equilibrium Model Partially Premixed Model Reaction Progress Variable* Mixture Fraction Reaction Progress Variable + Mixture Fraction Finite-Rate Chemistry Laminar Flamelet Model Laminar Finite-Rate Model Eddy-Dissipation Concept (EDC) Model Composition PDF Transport Model FLUENT中反应流模型 A Pera Global Company PERA China 污染物模型 NOx 形成模型（预测定性的 NOx 形成趋势） FLUENT 包括三种 NOx 产生机理 Thermal NOx Prompt NOx Fuel NOx NOx 还原模型 选择性非催化还原模型 (SNCR) l 喷入氨水或尿素 烟灰形成模型 Moos-Brookes 模型 一步模型，两步模型 烟灰对辐射吸收的影响 SOx 形成模型 求解SO2, H2S, 或者SO3 方程 一般 SOx 预测都作为后处理过程来进行 A Pera Global Company PERA China DPM模型 描述 颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解 颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换 每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为 单个颗粒的互相影响被忽略 离散相体积分数必须小于10 多个子模型 离散相的加热/冷却 液滴的蒸发和沸腾 可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧 喷雾模型模拟液滴破碎和聚合 磨损/增长 应用范围 颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃 烧. A Pera Global Company PERA China 表面反应 对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组 分不同的另外一种组分 对每个吸收表面组分求解地点平衡方程 可以考虑详细表面反应机理（任意的多步反应，任意数量的气相 组分/沉积组分） CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT. 表面反应可以在壁面或多孔介质中发生 可以在不同的表面定义不同的表面反应机理 应用案例 催化反应 CVD（化学沉积） A Pera Global Company PERA China 总结 对反应流动，有四个基础的教程 组分传输和气相燃烧 非预混燃烧 表面化学反应 液滴挥发 A Pera Global Company PERA China 动网格 A Pera Global Company PERA China 动网格简介 许多问题需要考虑平移或旋转的部件 对移动域，有两种基本的模型方法: 运动的参考坐标系 参考坐标系和运动域联系在一起 修正控制方程来考虑运动坐标系 运动/变形域 域的位置和形状在静止坐标系下跟踪 求解本质上是瞬态的 A Pera Global Company PERA China 运动域的CFD模型方法 单参考坐标系单参考坐标系 (SRF) 多参考坐标系多参考坐标系 (MRF) 混合平面法混合平面法 (MPM) 滑移网格滑移网格 (SMM) 运动坐标系运动坐标系 运动域运动域 运动运动 / 变形网变形网 格格 (MDM) A Pera Global Company PERA China 单参考坐标系模型 (SRF) SRF 把单一的运动域和一个坐标系 连接起来 所有的流体域在运动坐标系下定义 旋转坐标系引入了附件加速度 为什么要使用运动坐标系? 在静止坐标系下流场是瞬态的，使 用旋转坐标系后流场可以看做稳态 的 优势 用稳态方法求解* 边界条件更简单 调试更快捷 更容易的后处理的分析 Centrifugal Compressor (single blade passage) *注意: 在旋转坐标系下有时依然有瞬态现 象，如湍流、周期非平衡、分离、涡脱落 等 A Pera Global Company PERA China 多参考坐标系模型 (MRF) 包括有静止域和运动域的多域问题， 此时，单参考坐标系不适合 这类系统可以这样处理：把域分割为 多个域：一些域旋转，一些域静止 域之间通过交界面传递数据 对交界面的处理方式分为以下几种： 多参考坐标系模型 (MRF) 混合平面模型 (MPM) 滑移网格模型 (SMM) interface Multiple Component (blower wheel + casing) 稳态（近似）稳态（近似） 瞬态（精确）瞬态（精确） A Pera Global Company PERA China 混合平面模型 (MPM) MPM方法是对多级轴流和离心旋 转机械的稳态解法 也适用于其他一般问题 域有多个单通道、旋转或静止流 体域组成 每个域有自己的进口、出口、 壁面和周期边界（每个域是一 个SRF模型） 对每个域求解稳态的 SRF，通过 边界条件链接各个域 链接域的边界称为混合平面 通过混合平面的变量是周向平 均值，随每步迭代更新 分布可以是径向或轴向 求解收敛后，混合平面将调整 为一般流动条件 Mixing plane (Pressure outlet linked with a mass flow inlet) MPM的优势的优势:只需要一个流道，和叶片数量无关只需要一个流道，和叶片数量无关 A Pera Global Company PERA China 滑移网格模型 (SMM) 旋转机械中，静止部件和旋转部件的相 对运动导致瞬态相互作用，一般分为以 下几种： 位差相互作用 (压力波相互作用) 尾迹相互作用 激波相互作用 MRF 和 MPM 模型都忽略了瞬态相互 作用，仅限于瞬态效应小的流动 如果瞬态效应不能忽略，可以使用 SMM方法考虑静止部件和旋转部件的 相对运动 wake interaction Shock interaction potential interaction Stator Rotor A Pera Global Company PERA China SMM模型如何工作 和 MRF 模型类似的是，计算域分为运动域和静止域，由非一致网格界 面连接 和 MRF 模型不同的是，每个域的网格是时间的函数，随时间改变，这 样使得问题本身就是瞬态的。 另一个和 MRF 模型不同之处是，控制方程有新的动网格形式，在静止 坐标系下求解绝对量 没有使用运动坐标系形式（例如，动量方程源项中没有附加加速度的作 用） 方程组是通用的运动/变形网格形式的一种特殊情况 假设为刚性网格运动和滑移，非一致网格界面 cells at time t cells at time t + t moving mesh zone A Pera Global Company PERA China 动网格方法 (DM) 内部节点位置随着边界的运动自动计算 基本格式 弹簧式 (光顺) 局部重新划分 层铺式 其他方法 2.5 D 用户定义网格运动 内燃机网格运动 (RPM, stroke length, crank an