CFD与DEM耦合的FLUENT实现.doc

2007中国ANSYS-CFD年会论文集CFD与DEM耦合的FLUENT实现罗志国，邹宗树东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004摘要：本文利用商业软件FLUENT为平台，将DEM程序利用UDF编译进FLUENT，从而实现了DEM与CFD的耦合。本工作充分发挥了FLUENT的现有功能，同时通过二次开发对其功能进行了拓展。最后利用其对水平管的气力输送过程进行了模拟。关键词：离散单元方法 计算流体力学 颗粒-流体流动引言单个颗粒的信息（速度、空间位置、颗粒之间的作用力）对深入了解输送过程是十分必要。目前最先进的技术PEPT(Positron Emission Position Tracking)也只能获得单个颗粒的运动轨迹。利用连续介质力学方法和离散介质单元方法的耦合方法，即CFD-DEM（computational fluid dynamics and discrete element method）可获得每个颗粒在任意时刻的所有信息，并可进行定量分析。CFD-DEM是近几年发展起来的一种用以模拟气固两相流动的计算技术1-5。该方法把气相当作连续介质处理，通过求解连续介质控制方程获得气相运动信息，即所说的计算流体力学方法；而固相则当作离散介质处理，通过求解牛顿第二定律控制方程获得单个颗粒的运动轨迹，即离散单元方法。两相之间的相互作用通过牛顿第三定律进行耦合，也就是两相之间的相互作用力应该大小相等，方向相反。前人的CFD-DEM程序基本上是自编程序。本文利用商业软件FLUENT为平台，将DEM程序利用UDF6编译进FLUENT。本工作充分发挥了FLUENT的现有功能，同时通过二次开发对其功能进行了拓展。最后利用其对水平管的气力输送过程进行了模拟。1 数学控制模型1.1 颗粒相-离散单元法颗粒一般有两种运动形式，平移和旋转，由牛顿第二运动定律确定。在运动过程中，颗粒之间、颗粒与壁面之间法发生碰撞以及受周围流体的曳力作用，动量和能量均发生改变。任意时刻t在两相流体系中的颗粒平移及旋转运动公式如下。根据牛顿第二定律，颗粒运动方程可表示为：平动方程：（1）转动方程：（2）其中mi，Ii，ki，vi，wi分别代表颗粒i的质量、转动惯量、接触颗粒数目、以及该颗粒的平动和转动速度。fpf,i，mig，fc,ij，fd,ij分别代表流体对颗粒的曳力、自身重力、颗粒之间的弹性作用力、阻尼力，Tc,ij，Tr,ij分别为切向力产生的力矩和转动摩擦力矩。罗志国，1971年出生，男，满族，辽宁省沈阳市人，讲师，博士，研究方向为颗粒体系的模拟与仿真，冶金过程的模拟与仿真，铁水预处理等。1351.2 气相-连续介质力学方法流场由基于流体网格的连续性方程和纳维-斯托克斯方程来确定。质量方程：动量方程： （3）（4）式中P代表压力，V指粘性应力张量、空隙率及流体网格体积，具体各项力的计算公式列下表。表各项力的计算公式力及力矩符号公式正向弹性力fcn,ij阻尼力fdn,ij切向弹性力fct,iij阻尼力fdt,ij曳力ff,i力矩Ti,j重力fg,iMig其中： , , , , , , , , , , E是杨氏模量，是泊松比，n，t分别表示正向和切向阻尼系数。Rt是从球心到接触点的矢量形式，t,ij指颗粒i，j之间切向位移的矢量形式，f，f分别表示流体相粘度和密度。离散方法连续方法流场初始化;t=0if ttTotal开始数据文件输出t=t+tYN图计算流程图1.3 计算步骤计算流程如图所示：首先对流场进行初始化；运行DEM，计算出颗粒在t=0时刻的位置、速度等信息；提取出FLUENT流体网格信息；判断每个颗粒点在流体网格中的位置，计算在每个流体网格中的所有颗粒的体积和，得到每个流体网格的空隙度大小（如图）；由空隙度计算出每一个颗粒受力大小，将每个流体网格所有颗粒受力求和，除以流体网格体积，计算出单位体积内颗粒所受曳力的大小。将计算出的曳力值加到FLUENT中动量方程的源项中；进行流场计算，得出每个流体网格的速度值；根据流体网格单元速度、颗粒速度求出新的每个颗粒所受的曳力；最后将对每个颗粒得出的曳力值加到公式中。Fluent计算下一个时间步，直到结束。采用SIMPLEC方法求解流体相。流体方程对流项的差分采用具有三阶精度的QUICK差分格式，时间方向采用二阶隐式积分方法，离散单元模型采用显式积分方法。图网格空隙度的计算方法2 水平管的气力输送过程模拟气力输送工程技术是一项综合技术，涉及流体力学、材料科学、自动化技术、制造技术等领域。其广泛应用于制药、食品、塑料、水泥、化工、采矿、陶瓷及冶金等工业部门，是适合散料输送的一种先进技术。有关气力输送的研究绝大部分是实验研究和简单的理论研究，而用计算流体力学的方法来研究气力输送过程的还比较少，它属于气固两相流范畴。在水平输送管道内，重力和曳力的作用是互相垂直的，通过分析认为，颗粒在水平管道中主要靠颗粒与流体之间的曳力、Saffman力、Magnus力、颗粒与颗粒间碰撞或颗粒与管壁碰撞而获得的反弹力在垂直方向的分力形成的悬浮力等4种浮力来平衡重力，使其在重力场中维持悬浮。因颗粒的形状、大小、密度、气流速度不同，各种浮力大小也不同，从而导致气固两相流流型发生变化。本文模型主要考虑了颗粒与流体之间的曳力以及颗粒与颗粒间碰撞或颗粒与管壁碰撞而获得的反弹力在垂直方向的分力形成的悬浮力，Saffman力和Magnus力较小可忽略。表模拟参数表固相颗粒气相密度(kg/m3)3500粘度kg/(ms)1.810-5颗粒粒径(mm)0.5密度(kg/m3)1.205杨氏模量(N/m2)1108气相入口速度17.5m/s泊松比(N/m)0.3滑动摩擦系数0.3阻尼系数0.33 计算结果模拟管道直径为0.1米，长为5米。采用等粒径球体颗粒为研究对象，输送气体速度为17.5m/s，输送量为29.2kgm-2s-1，考察在水平输送过程中颗粒浓度分布。图2秒时管道内的颗粒分布及颗粒速度图整个管道在2秒时的颗粒浓度分布图，图为管道在2秒时的颗粒浓度分布以及颗粒分布。其中颗粒浓度的计算依据图的方法。图管道前段在Y=0截面的颗粒浓度分布由图所示，颗粒在入口处均匀分布，初始速度为零。受重力作用下落，与管底壁面碰撞后弹起。同时，颗粒受到流体的曳力作用，水平速度从零开始不断增加，颗粒从一次弹起到下一次弹起的跃动距离加长。由于颗粒与壁面以及颗粒与颗粒之间的碰撞消耗动能，弹起高度不断减少，颗粒逐渐集中到管道的底部，使得跃动距离逐渐变得模糊。0.01.25m1.252.5m2.53.75m3.755m图Z=-0.04截面颗粒浓度分布图从图可见，沿着管轴向方向，颗粒被加速，颗粒浓度不断降低。同时高颗粒浓度区由中心逐渐扩散，颗粒的径向分布逐渐变得均匀。图管道前段颗粒不同X截面浓度分布图由图可见，在管的下部的高颗粒浓度区呈现出中心浓度高于边壁浓度的分布。但是在管的上部表现为边壁浓度高于中心浓度的分布。这是由于颗粒与管道壁面碰撞后弹起，大部分颗粒堆向管道中心，形成中心浓度高于边壁的颗粒浓度分布。小部分颗粒由于颗粒与边壁以及颗粒之间的碰撞作用流向边壁，在管上部形成一个凹型的颗粒浓度分布。这与利用双欧拉模型的计算结果不同，双欧拉模型计算结果是在整个管道内表现为中心浓度高于边壁浓度的分布7。X=1m X=2m X=3m X=4m图X不同截面处颗粒浓度分布图由图可知，在x=1m处，多数颗粒集中到管底，并呈现出中心颗粒浓度高于边壁浓度的趋势，在x=2m处，颗粒与管壁碰撞后跃起，颗粒比较分散，同时，由于部分颗粒冲向管壁，在管的上部形成了边壁高于中心的颗粒浓度分布。在x=3m处，多数颗粒又落回管底，但与1m处相比，由于颗粒速度的增大，显然颗粒浓度总体上降低。在x=4m处，颗粒速度更快，导致颗粒浓度更低。颗粒浓度在轴向的不均匀变化主要是由于颗粒在管道内的上下跃动引起的。结论本文利用商业软件FLUENT为平台，将DEM程序利用UDF编译进FLUENT。并对水平管的气力输送过程进行了模拟，得出如下结论。1、将DEM程序利用UDF编译进FLUENT，可充分利用商业软件的现有功能，从而大大减少编程工作。2、沿着管轴向方向，颗粒被加速，颗粒浓度不断降低。同时在管中心浓度逐渐扩散，颗粒的径向分布逐渐变得均匀。3、与利用双欧拉模型的计算结果不同，在管的下部的高颗粒浓度区呈现出中心浓度高于边壁浓度的分布。但是在管的上部表现为边壁浓度高于中心浓度的分布。4、由于颗粒跃动存在，致使在整个管道内的颗粒浓度分布在轴向上变化不均匀。致谢作者在此感谢澳大利亚新南威尔士大学颗粒模拟与仿真实验室提供资助与指导。参考文献:1 Xu B H and Yu A B, Numerical simulation of the gas-solid flow in a fluidized bed by combining discrete particle method with computational fluid dynamicsJ. Chem. Eng. Sci. 1997, 52(16) : 2785-2809.2 Xu B H, Yu A B, Chew S J and Zulli P. Numerical simulation of the gas-solid flow in a bed with lateral gas blastingJ. Powder Technol. 2000, 109(1-3):13-26.3 Feng Y Q, Xu B H, Zhang S J, Yu A B, Zulli P. Discrete particle simulation of gas fluidization of particle mixturesJ. AICHE J. 2004, 50(8): 1713-1728.4 Feng Y Q, Yu A B. Assessment of model formulations in the discrete particle simulation of gas-solid flowJ. Ind. & Eng. Chem. Res. 2004, 43(26): 8378-8390.5 Yu A B, Xu B H. Particle-scale modelling of gas-solid flow in fluidizationJ. J. Chem. Technol. Biotechnol., 2003, 78(2-3): 111.6 FLUENT公司FLUENT UDF用户手册20037 谢灼利，张政颗粒物性对水平气力输送管中颗粒浓度分布影响的数值模拟J计算机与应用化学2005，22(3)：178-182CFD & DEM Couple With FLUENT LUO Zhiguo, ZOU ZongshuMaterials and Metallurgy School of Northeastern University, Shenyang, Liaoning, 110004, P. R. ChinaAbstract: In this paper, DEM(Discrete Element Method) code is incorporated into the commercial