（化学工程专业论文）应用cfd方法对化工过程两相流问题的研究.pdf

摘要 化工两相流包括气体一液滴、气体一固体、液体一固体与液体一气泡等多种 不同体系。各体系由于受两相物性、操作条件和过程环境等的影响，其流型又是 多种多样，其流体力学行为非常复杂。本文主要研究了多孔介质碳化硅塔盘的流 体力学行为及催化裂化装置中流化床反应器中的气固两相流问题，研究的主要内 容如下： 对于多孔介质碳化硅塔盘，使用c f x 提供的多孔介质模型对多孔介质塔盘 进行了二维单相模拟，得到与实验结果类似的干板压降随气相动能因子变化曲 线。然后，使用软件中的双欧拉两相流模型并结合多孔介质模型，模拟得到的湿 板压降与实验结果基本吻合。从液体体积分率分布和气相速度分布等方面，将多 孔介质塔盘的模拟结果与筛孔塔板的模拟结果进行对比，说明多孔介质塔盘具有 更好的气液分布性能，气液接触面更大，气体速度扰动更剧烈，这都更有利于气 液传质的进行。 对于流化床反应器，改造前，混合碳四和原料油气进入反应器后没有任何扰 动和混合，直接离开反应器。这不利于反应物与催化剂的反应，原料的利用率很 低。而且催化剂颗粒在反应器内分布不均。径向上，催化剂颗粒主要集中在反应 器中央，壁面处的原料无法与催化剂接触并反应；轴向上，反应器中上部颗粒体 积分率很低，进入的混合原料油气几乎不能反应。根据对改造前结构模拟的结果 分析，对反应器两种进料管及反应器相关尺寸做出了改进与优化。改进后，催化 剂颗粒在反应器内分布状况明显得到改善，颗粒分布更均匀，而且壁面附近也有 一定量的催化剂颗粒存在，促进了壁面处反应的进行，提高了原料的利用率。 关键词：气液两相流气固两相流流化床多孔介质碳化硅塔盘 a b s t r a c t i h 玳：a r em 锄yl ( i n d so f 。d i 丘e r e m s y s t e m sm c l u d e di 1 1 c h e l i l l c a lm d u s m a l 铆o p h a s en o w ，s u c ha sg a s d r o p l e t ，g a s - s o l i d ，l i q u i d s o l i d ，l i q u i d b l l b b l e ，a n ds oo n t h e i r n o wp a t t e n l sa r eo fg r e a td i 艉r e n c eb e c a u s eo fm e i rd i 仃e r e n c ei i lt h ep h y s i c a l p r o p e r t i e so ft h e i r 俩op h a s e s ，t l l eo p e r a t 证gc o n d i t i o n sa n d l ep r o c e s se n v i r o m n e m i t sk n o w nt h a tf l o wc h a r a c t e r so ft h et w op h a s en o wi sv e 巧c o m p l e x b o mt h en u i d m e c h a i l i c so ft l l ep o r o u ss i c 仃a ya n dt h eg a s - s o l i dt 、) l ，op h a u s en o wo ft h en u i d i s e d b e dr c a c t o ri 1 1c a t a l ”i cc r a c l 【i n gu j l i tw e r es t u d i e di 1 1t h i sp 印既t h em a i l lc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y ，a sf o rt 1 1 ep o r o u ss i c 仃a y ，m ep o r o u sm o d e lp r o v i d e db yc f xw a sk n o w n t oh a v er e f e r e n c ev a l u ea i 】【dp r e d i c t i v ev a l u ef o rm o d e l l m go ft h en o wp r o b l e m si nt h e p o r o u s 1 wf l u i da r e at h r o u g ht h e 咖m yo nt h e t h ep o r o u sm o d e li i lc f x a n dm e 玛 t 1 1 en o wo ft w o - d i m e i l s i o n a ls i i l g l e - p h a s eo nm ep o r o u s 仃a yw a sm o d e l l e du s i i l gt h e p o r o u sm o d e lt 0a c q u i l ct 1 1 ed r yp r e s g u r ed r o p nc 锄et om a tt h ec l m g ec u r v eo fm e d d rp r e s s u r ed r o pf o l l o w i i l gt l l efw a st h es 锄et 0t h ee x p e r i m e i l t a lr e s u l t s t h ew e t p r e s s 眦ed r o p 丘d mt l l eg a s - d i o p l e t 饥op h a s es 沛u l a t i o nc o n e s p o n d e d t 0m e e x p 翻m e i l t a lr e s u l t s nw a sp r o v e dm a ta i ra i l dw a t e rh a db e t t e rd i s t r i b u t i o 玛l a r g e r c o n t a c ta r e aa n dm o r ed r a s t i cv e l o c i t yd i s t u 而a n c eo nt h ep o r o u sn a yc o i n p a r e dt ot l l a t o nt h es i e v e 仃a yf 如mb o t l lt h ew a t e rv o l m ef a c t i o na 1 1 dm ea i rv e l o c i 够v e c t o r s e c o n d l y ，a sf o rt h en u i d i s e dr e a c t o r ，t h em i x e dc 4 缸l dm er a wp e 协o lg a si nm e r e a c t o rb e f 0 r e 臼韧 1 s f o m a t i o nd 印a r td i i e c t l yw i m o u ta n yd i s m r b a l l c e 锄dm i x t u r e a r e rt h e ye n t e rt h er e a c t o r t h e r e f 0 r e ，n o to i l l yd i dm es 仇1 c 1 u 1 eo ft h ep r e v i o u s r e a c t o rg oa g a i l l s tt h er e a c t i o no ft 1 1 er e a c t a l l ta n d 也ec a t a l y s tp a r t i c l e ，b u ta l s om a d e l o wu t i l i z a t i o nr a t i oo fm er e a c t a n t s t h ec a t a l y s tp a 而c l eh a du n e v e i ld i s t r i b u t i o ni n m ew h o l er e a c t o r i i lm er a d i a ld i r e c t i o n ，t h ep a r t i c l e sm a i l l l yc o n c e i 】旧a t e do nm e c e n t e ro ft h er e a c t o rs ot h a tt h er a wm a t e r i a l sn e a rt h ew a l lc o u l d n tc o n t a c ta n dr e a c t w i t ht l l ec a t a l y s tp a r t i c l e s h 1t l l ea x i a ld i r e c t i o n ? t h er a wp e 仃o lg a sn e a r l yw a s n ta b l e t 0r e a c tb e c a u s eo ft l l el o wv o l 啪ef r a c t i o no ft h ep a r t i c l ei nm eu p p e rp a 九o ft h e r e a c t o r t h et w ob n d so ff e e dp i p e sa n dt h er e l a t i v ed i m e n s i o no ft h er e a c t o rw e r e i m p r 0 v e da n do p t i r n i z e da c c r o d i n gt 0m ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s 自o m m o d e l l i n gt h es 仇j c t u r eo ft l l ep r e v i o u sr e a c t o r t h ed i s t r i b “o ns i t u a t i o no ft l l e c a t a l y s tp a n i c l e si 1 1 也er e a c t o rh a da c l l i e v e ds i 鲥f i c a n ti i n p r 0 v e m e n t s n o t0 1 1 l yw a s m ed i s t r i b u t i o no ft l l ep a r t i c l e sm o r ee v e 玛b u ta l s oi r o l v e dn l ew a l lo ft h er e a c t o r s u c hd i s 埘b u t i o nc o u l dp r o m o t e 也er e a c tn e a rt h ew a l la j l di n c r e a s e dt h eu t i l 也a t i o n r a t eo ft h er a wm a t 甜a l s k e yw o r d s ： g 鹊1 i q u i d 铆o p h a u s ef l o w ，g a s s o l i d 觚。一p b en o w ，n u i d i s e d b 咄 p o r o u ss i c 位a y 符号说明 符号说明 界面面密度 压缩模数 比热 线性阻抗系数 二次阻抗系数 平均粒径 固一固碰撞的回归系数 气相动能因子 辐射分布函数 相关弹性模数 弹性模数 焓 渗透率 面积孔隙张量 经验损失系数 相数 压力 普兰德数 固体压力 体积分率 堆积参数 最大堆积参数 多孔介质中流体的阻抗 雷诺数 基于孔尺度的特征雷诺数 基于渗透率的雷诺数 动量源项 质量源项 一个来自或进入多孔介质的热源或热吸收 速度波动值 5 9 彳c q俨j p r引瓯毗日足k k以p n厂r n睇酽， 符号说明 u y 希腊字母 p 从 睡s p s 。砒 以砌 五 r r 。 西 毛s 万 e ， 丫 f 仃 下标 口 b a 8 s i ，j ，k p g 速度矢量 d a r c y 速度 密度 粘度 有效粘度 固体剪切粘度 固体剪切粘度的碰撞组分 固体剪切粘度的运动组分 导热系数 有效扩散率 有效传热系数 过程中所传递的量，可以是热量、质量和动量 固体体积粘度 多孔介质的厚度 固体温度 固体剪切应力张量 体积孔隙率 剪切应力 表面张力 连续相 离散相 两相混合物 固体相 x ，y ，z 坐标 固体颗粒 气相 液相 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 高瓦降签字日期：锄川驴年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞基鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞奎盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢南阂乎 签字日期：功旧挈年6 月6 日 ，导师签名： 签字日期：非莎月f 日 第一章文献综述 1 1 计算流体力学概述 第一章文献综述 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd ) r 1 1 a i i l i c s ，简c f d ) 是通过计算机数值计 算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场， 如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定 的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解 代数方程组获得场变量的近似值【l j 。 1 1 1 特点 相对于流体实验方法而言，数值模拟有几个独特的优点： ( 1 ) 数值模拟大幅度减少完成新设计所需的时间和成本； ( 2 ) 能研究难以进行或不可能进行受控试验的系统； ( 3 ) 能超出通常的行为极限，研究危险条件下的系统； ( 4 ) 比实验研究更自由、更灵活，可以无限量地提供研究结果的细节，便 于优化设计； ( 5 ) 数值模拟具有很好的重复性，条件容易控制； ( 6 ) 通过数值模拟可能发现新现象。 另一方面，数值模拟也有一定的局限性，并面临不少问题。了解这些局限性 既有助于适当地评估数值模拟的结果，又有助于我们在陷入困境时找到解决问题 的方法【2 】。 ( 1 ) 数值模拟要有准确的数学模型； ( 2 ) 数值试验不能代替物理试验或理论分析； ( 3 ) 计算方法的稳定性和收敛性问题； ( 4 ) 数值模拟受到计算机条件的限制。 计算流体力学在近期需要解决的问题将是寻求高效率、高准确度的计算方法 和发展高容量高性能的计算机系统。计算流体力学的方法在各相关学科中将得到 广泛应用并取得成果，反过来，应用成果也会促进计算流体力学自身的发展。 第一章文献综述 1 1 2 基本步骤 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤【l 】： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立 反映问题各个变量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发 点。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程， 以及这些方程相应的定解条件。 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散 化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微 分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边 界条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花时间最多的部分。由于求 解问题比较复杂，数值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加 以验证。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断 分析质量和结果有重要参考意义。 1 2 数值方法 1 2 1 基本方程 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、 动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分( 组元) 的混合或相互 作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加 的湍流输运方程。控制方程是这些守恒定律的数学描述。 1 2 2 离散化方法 流体动力学问题的求解，归结为在特定边界条件或初始条件下，求解偏微分 方程组。如果偏微分方程是线性的，可以用有限基本解法，或者用解析法或半解 析法【3 j 。而解决非线性方程问题的有效方法就是数值方法。数值方法的实质就是 离散化和代数化。离散化是把无限信息系统变成有限信息系统；代数化则是把偏 微分方程变成代数方程。由于应变量在节点之间的分布假设及推导离散方程的方 法不同，就形成了三种常用离散化方法：有限差分法、有限元法和有限体积法1 4 】。 2 第一章文献综述 1 2 2 1 有限差分法( f d m ) 有限差分法是应用最早、最经典的c f d 方法。它将求解域划分为差分网格， 用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推 导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分方程组的解，就是微分 方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值 解法。 这种方法发展较早，比较成熟，较多地用于求解双曲型和抛物型问题，不适 于求解复杂的曲线边界。在此基础上发展起来的方法有p i c ( p a r t i c l e n c e l l ) 法、 m a c ( m a r k * a l l dc e l l ) 法，以及由美籍华人学者陈景仁提出的有限分析法等【5 】。 1 2 2 2 有限元法( f e m ) 有限元法是2 0 世纪8 0 年代开始应用的一种数值解法，它吸收了有限差分法 中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方 法【l 】。有限元法以极值原理和划分插值为基础，将一个连续的求解域任意分成适 当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变 分或加权余量法) ，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体 的极值作为各单元极值之和，形成嵌入了指定边界条件的代数方程。 有限元法适于求解有复杂边界的定常问题，在处理复杂的曲线边界时十分灵 活方便，求解步骤规范化，易于编程。但是有限元法的求解速度较有限差分法和 有限体积法慢。在有限元法的基础上，英国c a b r e b b i a 等提出了边界元法和混 合元法等方法【6 】。 1 2 2 3 有限体积法( f v m ) 有限体积法将计算域划分为网格，并使每个网格节点周围有一个互不重复的 控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，得到一组离散方程。其中 的未知数是网格节点上的因变量。为了求解积分，必须假设被求函数值在网格节 点之间的变化规律。从积分区域的选取方法看，有限体积法属于加权余量法中的 子域法，从未知解的近似方法看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法【6 】。 有限体积法适用于任意形状非结构化网格，这样对给定网格节点，其控制体 的形状和位置以及控制面上的通量计算方法有多种。此外，由于是对守恒定律的 积分形式直接离散，可保证离散方程质量、动量和能量的守恒【3 】，而且离散方程 系数物理意义明确，计算量相对较小。该方法是目前c f d 应用最广的一种方法。 第一章文献综述 1 3 网格生成技术 网格生成技术是计算流体力学( c f d ) 的重要组成部分，在目前的c f d 工作周 期中，网格生成所需人力时间约占一个计算任务全部人力时间的6 0 左右，并且 c f d 计算的精度在很大程度上依赖于所生成网格的质量。 1 3 1 结构化网格 网格生成的最终目的是采用某种数学方法实现物理区域到计算区域的坐标 变换。 1 3 1 1 代数网格生成 利用已知物理空间区域边界值，通过一些代数关系式，采用中间插值或坐标 变换的方式把物理空间不规则区域网格转换成计算空间上矩形区域网格的方法 称为代数网格方法。插值计算是代数方法的核心，不同的插值算法将产生性质不 同的代数网格。简单的有直接拉线方法，各种坐标变换方法，规范边界的双边界 法等等【7 j 。但这些方法适应性较差，相对而言通用性较强、生成网格性质较好的 方法是通过一定的插值函数构造插值公式的代数网格生成方法。其中较有代表性 的是超限插值法降j ，该方法鲁棒性强、速度快，是目前成熟有效的代数网格方法。 1 3 1 2 微分方程网格生成 微分方程网格生成方法是网格生成中的一类经典方法。这一类方法利用微分 方程的解析性质，如调和函数的光顺性，变换中的正交不变性等等，进行物理空 间到计算空间的坐标转换【9 】，所生成的网格较代数网格光滑、合理、通用性强。 微分方程网格方法根据所采用方程的不同，分为椭圆型方程方法、双曲型方程方 法、抛物化方法等。其中椭圆型方法在实际工作中应用最广泛。 1 3 1 3 保角变化方法 该利用解析的复变函数来完成物理平面到计算平面的影射。保角变换方法的 主要优点是能精确地保证网格的正交性，而它的主要缺点是：对于比较复杂的边 界形状，有时难于找到相应的影射关系式；它的应用局限于= 维问题。不过对于 某些三维问题，有时可以沿某一方向取若干截面，并对每一个截面用保角变换方 法生成网格，然后沿着垂直于截面的方向采用相应的插值方法来处理 1 0 】。 4 第一章文献综述 1 3 1 4 变分原理方法 在这类方法中，将生成网格所希望满足的要求表示成某个目标函数取极值。 该方法常用于生成自适应网格，因为可以比较方便地将自适应网格的要求用某个 变分原理来表示，然后再导出和该变分原理相应的偏微分方程，即e u l e r 方程 1 0 1 。 1 3 2 非结构化网格 目前较成熟的构造复杂外形网格的方法是分区的结构网格方法。然而复杂外 形的结构网格构造复杂多变，需要花费较大的人力时间，如需作局部的修改或改 变其拓扑构型，将耗费更大，因此近年来人们逐渐重视另一类网格生成技术一非 结构化网格。因为非结构化网格具有一系列优点，非结构网格在近1 0 年中得到 了迅猛发展，出现了很多不同的方法来生成复杂外形的非结构网格。目前常用的 方法可以归结为三大类，即d e l 姗a y 三角化法、推进阵面法和八叉树法【3 】。 1 3 2 1d e l a u n a v 三角化方法 d e l a l h l a y 三角化方法的基本原理是在计算区间平面上分布点集，再根据 d i r i c h l e t 在1 8 5 0 年提出的利用已知点集将平面划分成凸多边形的理论：假设平 面上给出一组点集 p ，1 ，则其中每一点都属于自己的一个区域s ，使得区域s 中 的任意一点与该点的距离都比其他点的距离近，这种方法把平面划分成了一系列 不重叠的凸多边形，叫做v o r o n o i 区域，覆盖整个控制体。d e l a 眦a y 三角化是一 个有序的过程，通过该点集_ p ，1 将整个平面三角化【3 1 。 1 3 2 2 阵面推进方法 阵面推进法的基本思想是首先将流场边界划分为小的阵元，构成初始阵面， 然后选定某一阵元，将某一流场中新插入的点或者原阵面上已存在的点相连构成 非结构单元。随着新单元的生成，新的阵元产生，组成新的阵面。这一阵面不断 向流场中推进，直至整个流场被非结构网格覆盖。 阵面推进法有自身的优缺点。首先阵面推进法的初始阵面即为流场的边界， 推进过程是阵面不断向流场内收缩的过程，所以存在保证边界完整性的问题。另 外阵面推进是一个局部过程，相交性判断仅涉及局部邻近的阵元，因而减少了由 于计算机截断误差导致推进失败的可能性，而且局部性使得执行过程可以在推进 的任一中间状态重新开始。再者，在流场内引入新点是伴随推进过程自动完成的， 因而易于控制网格步长分布。但是每推进一步，仅生成一个单元，因此阵面推进 法的效率低。另外，尽管阵面推进的思想可以直接推广到三维问题，但在三维情 况下，阵面的形状可能非常复杂，相交性判断就变得更加繁琐【l 0 1 。 第一章文献综述 1 3 2 3 八叉树( o c t r e e b a s e d ) 法 八叉树原是一种c a d 系统中的几何造型技术1 ，其基本原理示于图1 1 中， 图中的根节点是将整个实体罩住的正六面体，其分割为八个子节点，并据其状态 ( 空、满、部分空) 分为三类，第三类( 部分空) 节点生成下一代子节点。 根节点 第一代 第二代 第三代 卜一空 1 i l 一满 ( 卜一部分空 图1 1 八叉树示意图 f i g 1 一lt h es c h e m a t i cd i a 鲫no f l eo c n 优 按照图1 1 所示的传统建树方式，可以使剖分网格逐步逼近实体，从而构造 出实体模型，这种思想完全可以用于有限元网格的全自动生成，即首先用八叉树 法将实体分割为六面体网格，再把六面体网格进一步分解为四面体网格。有限元 网格单元的疏、密程度通过事先指定的划分次数，在八叉树技术中称为树的深度， 来控制剖分进程。另外，满的卦限也要被进一步划分下去，保证网格单元之间是 相容的。 1 3 3i c e mc f d 网格生成特点 作为专业的前处理软件，i c e m c f d 为所有世界流行的c a e 软件提供高效可 靠的分析模型。它拥有强大的c a d 模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格 “雕塑 技术、网格编辑技术以及广泛的求解器能力。 1 3 3 1 i c e m c f d 软件功能 ( 1 ) 直接几何接口( c a t 队，c a d d s 5 ，i c e ms u r d d n ，i d e a s ，s o l i d w b r k s ， s o l i de d g e ，p m e n g i n e e ra l l du 1 1 i g r 印h i c s ) ； 6 第一章文献综述 ( 2 ) 忽略细节特征设置，自动跨越几何缺陷以及多余的细节特征； ( 3 ) 对c a d 模型的完整性要求很低，它提供完备的模型修复工具，方便处 理“烂模型； ( 4 ) 一劳永逸的r 印l a y 技术，对尺寸改变后的几何模型自动重新划分网格； ( 5 ) 方便的网格雕塑技术实现任意复杂的几何体纯六面体网格划分； ( 6 ) 快速自动生成六面体为主的网格； ( 7 ) 自动检查网格质量、自动进行整体平滑处理、坏单元自动重划、可视 化修改网格质量； ( 8 ) 超过1 0 0 种求解器接口，如f 叫e n t 、a j l s y s 、c f x 、n a s 仃a n 、a b a q u s 、 l s - d y n a 等。 1 3 3 2i c e m c f d 的网格划分模型 ( 1 ) h e x a m e s h i i l g 六面体网格 六面体网格即结构化网格，使用的是代数网格生成方法。a n s y si c e mc f d 中六面体网格划分采用了由顶至下的“雕塑”方式。可以生成多重拓扑块的结构。 整个过程半自动化。采用了先进的o g m 等技术，可以方便的在i c e m c f d 中 对非规划几何形状划出高质量的“o 型、“c ”型、“l 型六面体网格。 ( 2 ) t e r e am e s h i n g 四面体网格 四面体网格是非结构化网格，适合对结构复杂的几何模型进行快速高效的网 格划分。面网格使用八叉树方法划分，体网格使用d e l a u i l a y 方法划分。在i c e m c f d 中四面体网格的生成实现了自动化。系统自动对已有的几何模型生成拓扑 结构。用户只需要设定网格参数，系统就可以自动快速地生成四面体网格。系统 还提供丰富工具使用户能够对网格质量进行检查和修改。 ( 3 ) p r i s mm e s h i l l g 棱柱型网格 p r i s m 网格主要用于四面体网格中对边界层的网格进行局部细化，或是用在 不同形状网格( h e x a 和t e t r a ) 之间交接处的过渡。跟四面体网格相比，p r i s m 网 格形状更为规则，能够在边界层处提供更好的计算网格。 1 4c f x 概述 a n s y sc f x 系列软件是拥有世界级先进算法的成熟商业流体计算软件。功 能强大的前处理、求解器和后处理模块使得a n s y sc f x 系列软件的应用范围遍 及航空、航天、船舶、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、 火灾安全、冶金、环保等众多领域。a n s y sc f x 软件提供了从网格到流体计算 第一章文献综述 以及后处理的整体解决方案。核心模块包括c f xm e s h 、c f xp r e 、c f xs o l v e r 和c f x p o s t 四个部分。 1 4 1 前处理 c f xp r c 物理前处理器是一个前沿、兼容、直观的平台，它可以定义c f d 分 析所需要的复杂的物理模型。除此之外，还可以读入多种格式的网格文件，并允 许用户指定域的特性。 计算机仿真的真实程度取决于可供选择的模型。a n s y sc f x 包含了大量的 物理模块，以实现对各种工业应用的精确模拟。由于大多数物理模块可以相互耦 合，且可以与所有网格单元类型及网格界面连接类型相适应，大大加强了获得精 确解的能力。a n s y sc f x 独有特色的是默认使用二阶精度的数值方法，因此确 保在每次模拟所用的网格上获得更精确的解。 其中的多相流模块凝聚了2 0 多年的多相流模拟的经验，该模块可以模拟多 种流体同时流动，气泡、液滴以及自由表面流。粒子疏运模型可以求解连续相里 面的一种或多种离散颗粒相的运动。瞬态粒子追踪模型可以模拟灭火，微粒沉淀 以及喷雾沉积。粒子二次破碎模型能捕获液滴在外力作用下的破碎行为。同时包 括了相间质量迁移的通用框架。多尺度群组( s i g ) 模型可以用来模拟多尺 度气泡的凝聚和破碎。流化床模块则采用了包含描述离散的固体相之间粒子相互 碰撞效应的动力理论。 c f x 中的旋转机械模型被公认为是旋转机械c f d 模拟技术的领导者。其中 集合了所有合适的模型，并不断地得到加强。值得一提的是，专门针对涡轮机的 前后处理使模拟的建立和结果分析变得非常简单。 大多数工业中的流动都是湍流，a n s y sc f x 制定了湍流模拟能力水平的标 准。提供了许多非常优秀的湍流模型。如k - 及s s t 模型，都包含有可改进的壁 面函数模型，保证求解精确度随着网格的优化而得到提高。a n s y sc f x 是第一 个拥有预测从层流到湍流转戾模型( 称为m e m e r - l a n g t 呵模型) 的商业软件。当 稳态流动模拟无法精确或者准确描述物理现象而需要采用这个模型进行非定常 模拟时，不需要提供几何或网格拓扑结构以及尺寸自适应模型。 流体与固体之间的传热优化在很多种工业设备中是至关重要的。a n s y s c f x 具备最新技术；可以求解3 d 区域的流动与传热，包括计算包含固体材料的 共轭热传导。 a n s y sc f x 中的多孔介质模型，有能力捕捉分界面处的速度及非连续压力 分布，相比于动量损失模型，可获得更精确的结果。 c f x 提供多种辐射传热模型，适用于从透明到非灰介质，应用领域包括：燃 第一章文献综述 烧、传热、通风、固体材料的辐射等。 对于c f x 中的燃烧模型，所有组分都通过一个耦合方程系统来求解，可加 快包含复杂反应机理问题的收敛速度。模型包括多步涡破碎模型、有限速率化学 反应模型、n o x 以及烟灰模型。同时，还有针对火焰扩散的小火焰模型及预混 部分预混燃烧z 硫o n 模型。 1 4 2 求解器 c f xs o i v e r 是c f x 软件的求解器，是c f x 软件的内核，它的先进性和精确 性主要体现在：不同于大多数c f d 软件，c f xs o l v e r 采用基于有限元的有限体 积法，在保证有限体积法的守恒特性基础上，吸收了有限元法的数值精确性； c f x s o l v e r 采用先进的全隐式耦合多网格线性求解，再加上自适应多网格技术， 同等条件下比其他流体软件快1 2 个数量级；c f xs 0 1 v e r 支持真实流体、燃烧、 化学反应和多相流等复杂的物理模型，使得c f x 软件在航空工业、化学及过程 工业领域有着非常广泛的应用。 c f x s o l v e r 是个多重网格求解器。简单地说，它可以快速获得未知方程的可 靠的收敛解。该求解器是完全可扩展的随着问题规模的扩大，c p u 计算时间线 性增加无论是单机或并行计算模式，都可以轻松地建立代表真实物理过程的模 型。求解器及时反映收敛历史并动态显示许多残差的变化过程。根据需要，可以 在不停止求解的情况下调整模型或计算参数，以加快收敛。a n s y sc f x 求解器 默认运行高精度模式，确保可靠地获得精确的流动预测。 1 4 3 后处理 c f d 后处理工具采用了直观的用户界面来显示计算结果。a n s y sc f x 软件 具有强大可视化工具，让用户全面地了解流场信息，比如等值面，切面，矢量图， 表面图，动画以及流线图等。优秀的数字显示能力让用户容易提取最感兴趣的， 呈现给设计师和分析师，从而加强执行力并加深理解。涡轮机械后处理模块简化 了旋转机械的后处理，它包括了一个基于机械种型的报告模板，自动生成结果报 告。报告模板包括所有的制图，表格以及各种图形。利用模板，还可以进行相似 设计的对比。总之，a n s y sc f x 含有最强大的c f d 后处理技术。 1 5e u l 耐a n e u l 舐a n 多相流模型 在a n s y sc f x 中提供两种多相流模型：e u l e r i a n e u l e r i a l l 多相流模型和 9 第一章文献综述 l a 掣a n g i a np a n i c l e1 r a c h n g 多相流模型。 e u l 鲥锄- e u l 耐锄模型是由a n s y sc f x 提供的主要多相流模型中的一种。在 e u l 翻a 1 1 e u l e r i a n 模型中，动量、热量和其他界面传递模型内都使用了界面传递 项，这些界面传递项可以使用p a i t i c l em o d e i 、m i x t u r em o d e l 或者是f r e es u r f - a c e m o d e l 模型来模拟。e u l 甜锄e u l e r i 觚模型内包括均匀模型( h o m o g e l l e o u sm o d e l ) 和非均匀模型( i i l l l o m o g e n e r o u sm o d e l ) 。 非均匀多相流场( i i l l l o m o g e n e o u sm u l t i p l l a s ef l o w ) 是指每一种流体具有独 立的速度场及其他相关场的情况。所有流体具有相同的压力场。流体间通过界面 传递项进行联系。p a i t i c l em o d e l 和m i x n l r em o d e l 都属于不均匀多相流场 ( i n h o m o g e n e o u sm u l t i p h a s ef l o w ) 。 均匀多相流场( 1 1 1 i l o m o g e l l e o u sm u l t i p h a s ef 1 0 w ) 是e u l 嘶a 1 1 e u l 耐a n 多相流 模型的一种极限情况，所有流体共有相同的速度场和其他相关场( 如温度场、湍 动场等) 。所有流体也是共有一个压力场。 1 5 1 非均匀模型 每一种流体拥有自己的流场，而且它们通过相间传递项相互作用。在非均匀 模型( h 山o m o g e i l e o u sm o d e l ) 内每一个独立相具有一个求解域。传递的量通过相间 传递项相互作用。例如，两相流可能具有独立的速度场和温度场，但是它们需要 通过相间曳力和热传递项来使它们趋向平衡。 1 5 1 1 非均匀模型的子模型 非均匀模型( h 山o m o g e i l e o u sm o d e l ) 中有三种子模型：颗粒模型( p a n i c l e m o d e l ) 、混合模型( m i x t u r em o d e l ) 和自由表面模型( f r e es u r f a c em o d e l ) 。它 们模拟界面的面密度和相间传递项的方法是不一样的。在流体对表( f l u i dp a i r s t a b ) 中可以指定每一种流体所要选择的模型。 动量、热量和质量的界面传递直接依赖于两相之间的接触面积。这可以用两 相a ，b 间单位体积的接触面积来表示，即界面面密度彳。界面传递可以使用 颗粒模型和混合模型来模拟。 ( 1 ) 颗粒模型( p a n i c l em o d e l ) 当多相流中其中一种是连续相，而其他都是分散相或多分散相时，可以选用 该模型。分散相颗粒或液滴需要是球形的。它适合模拟多分散相的多相流问题。 例如，气泡分散在一种流体内，液滴分散在一种气体中或分散在另一种不相溶的 液体中，固体颗粒分散在一种气体中或一种液体中。 颗粒模型假设其中一相是连续相( a 相) ，另一相是分散相( b 相) 。假设b 1 0 第一章文献综述 相以平均粒径d 卢的球形颗粒存在，计算单位体积的界面面积。使用这个模型， 界面接触面积是： j o 冶 d 卢 ( 1 1 ) 其中7 夕是b 相的体积分率。 无量纲量界面传递系数可以按照颗粒的r e y n o l d s 数和流体的p r a n d t l 数来关 联。这两个数都是使用颗粒平均粒径和连续相性质来定义。 勋矽= 华 2 ， ：肇 ( 1 - 3 ) 其中心、c 豫和五分别是连续相的粘度、比热和导热系数。 ( 2 ) 混合模型( m i x t u r em o d e l ) 这是个非常简单的模型，它对等地处理各相。其结果可以作为初步的近似计 算，或者是作为用户为计算非分散液一液或气一固两相流所提供的界面传递模型 的基础，都是可以的。它认为所有相都是连续相。可以用来模拟更复杂的多相流 问题，例如搅拌流。在a n s y sc f x p r e 里必须指定界面长度尺寸来关联相体积 率与界面接触面积。 混合模型内，单位体积的界面面积是这样计算的： 锄：竽 ( 1 4 ) “础 其中是界面长度尺寸，必须指定。名、饧分别是a 、b 两相的体积分率。 无量纲量界面传递系数可以按照颗粒的r e y i l o l d s 数和流体的p r a n d t l 数来关 联： = 华 ( 1 5 ) p ：丝磐 ( 1 - 6 ) 粥 其中砌、物、和分别是混合物的密度、粘度、热容和热导率。并 且有： p 呻= r p r b pb 让雌2r 弛。七r b 耻b ( 3 ) 自由表面模型( f r e es u r f a c em o d e l ) 这个模型适用于自由表面流。对于这类流场，如果一相从另一相有夹带的时 第一章文献综述 候，也可以使用颗粒模型或混合模型。 自由表面模型试图求解流体间的界面。如果模拟中只有两相的话， 程来求界面面密度： 锄= i v i 如果模拟中存在多于两种流体的话，按下面方程计算界面面密度： 如2 1 5 1 2 非均匀模型的流体动力学方程 用以下方 ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 ) 动量方程： 景( 屹成u 口) + v ( 名( 以u 口圆u 口) ) = 一耽+ v ( 名心( v u 口+ ( v u 口) 7 ) ) + 芝( u ，一u 口) + s 村口+ m 口 其中，s 肘口描述的是由外部质量力引起的动量源项和人为定义的动量源项； m 。描述的是由于其他相的存在而引起的作用于相口上的界面力； ( r 易u 卢一r k u 口) 代表由界面质量传递导致的动量传递。 以上动量方程只适用于流体相。对于固体分散相，将有额外的项来代表由颗 粒碰撞引起的额外压力。 ( 2 ) 连续性方程 杀( 吃成) + v ( 名以u 口) = s 脚口+ r 筇 ( 1 一l o ) u 斤= l 其中，s 埘口是人为定义的质量源项； r 叩是从相到相口的单位体积内的质量流率。只有在存在界面质量传递的 时候才会有这一项。 ( 3 ) 体积守恒方程 名= 1 ( 1 1 1 ) 该方程是a n s y sc f x s 0 1 v e r 求解的体积连续方程。这个方程还可以与每一 相的连续性方程结合，获得一个传递体积守恒方程。例如，连续性方程将变为： 莓去( 鲁毗矾，= 善去卜分妒| ) m 如果我们考虑不可压缩流体相不具有源项的特殊情况，就很容易解释这个方 程。这样，公式( 1 1 2 ) 将被简化为： 1 2 第一章文献综述 v ( 名u 。) = o 口 ( 1 1 3 ) ( 4 ) 压力限制 上面一整套流体力学方程包含4 + 1 个方程，5 坼个未知量、圪、睨、 屹、戌。我们还需要以一1 个方程来封闭系统。这通过对压力进行限制来获得。 也就是，所有相具有相同的压力场： 。 儿= p 口= 1 ，坼 ( 1 1 4 ) 1 5 2 均匀模型 1 5 2 1 均匀模型理论 均匀模型( h o m o g e n e o u sm o d e l