ANSYS CFD Multiphase 多物理场耦合分析

Lecture6ANSYSCFDMultiphase IntroductiontoANSYDCFD MultiphaseinANSYSCFX IntroductiontoANSYDCFD MultiphaseApplications ChemicalandProcessIndustryGascleaningFluidizedbedreactorsBubblecolumnsPolymerproductionMixersDryersPowerGenerationDropletcombustionCoalcombustionCondensation boilingFuelcellsCavitation OilandGasOilwellsPipelinesEnvironmentFogRainErosionEmissionBiomedicalBloodflowsEyesLungs ExamplesofMultiphaseFlows HorizontalBubbleReactor BubblyFlow ExamplesofMultiphaseFlows Cavitation PhaseChange FreeSurfaceFlow DamBreak ExamplesofMultiphaseFlows ExamplesofMultiphaseFlows InjectionandBreakupofLiquidDropletsfromaNozzle 多相流模拟指 含有超过一种流体每种流体由其自有流场变量描述 u v w p r T 相或流体之间在微观层面上是混合的 混合尺度小雨求解尺度 但大于分子尺度 在微尺度 分子 上的混合用质量分数的方法模拟 多组分流方法 MultiphaseFlows 一相是离散粒子 discreteparticles 液滴 droplets 或空泡 bubbles 散布在连续相中例如 雨 air water dropletflow 软饮料 Liquid bubbles bubblyflow 泥浆 Water sand particulateflow 含尘空气 particulateflow 一液体里含有不能融合的另一种液滴 如 醋里的油滴 若在空间上不连续 则该相为离散相 否则为连续相 允许大的密度差存在 rc rd 1000 rc rd 10 3 允许大差异的速度场 通常的例子如空泡塔器 bubblecolumns 和流化床 fluidizedbeds Continuous DispersedMultiphase 例子两个连续相浇模 Moldfilling 溃坝 Dambreak 注油 Fillingofagasolinetank 液面晃动 Sloshingofasurfaceinacontainer 明渠流动 Openflowinachannel 处理方法 homogeneous 相和相之间分享同样的速度和场变量 volumefraction除外 FreeSurfaceFlows DifferentMultiphaseFlowRegimes 多相流 MPF 没有一个统一模型 右图中的多相流在气体流量逐渐增加的情况下 从左到右有在连续相中分布均匀的空泡流 到节涌流 slugflow 又名活塞流 到环状流 annularflow 模拟对不同区域 regimes 相间相互作用的方法 draglaws interfacialarea etc 可能大不相同模型的选择 经验很重要 Gas LiquidFlowinaVerticalPipe 多相流模拟的两个基本方法 Eulerian Eulerian两相之间连续的相互作用 假定相由流体计算域流出 一般来说 每个相的体分数和流场变量单独求解 每个Euleriandispersedphase具有单一直径的特征 用标准的欧拉方法模拟三种不同大小的空气泡泡在水中的分布情况 需要四相的欧拉方法进行计算Eulerian Lagrangian在这个方法中 以追踪一定数量通过流体域的有代表性粒子的离散轨迹的方法进行模拟 可轻松获得粒子大小 particlesizes 的分布 在离散相粒子体分数较小时 Lagrangian方法忽略粒子 粒子之间的相互作用 ModelingApproaches 多相流中的物理问题 相关物理现象浮力 Buoyancy 相间拽力 Interphasedrag 相间质量传输 Interphasemasstransfer 表面张力 Surfacetension 粒子 粒子相互作用 Particle particleinteractions 破碎和聚结 Breakupandcoalescence 相间面积的模化 Modelinginterfacialarea MultiphaseFlows 多相流模拟中很多物理现象很重要 包括 浮力 Buoyancy 相间拽力或动量交换 Interphasedragorexchangeofmomentum 相间质量或组分交换 Interphaseexchangeofmassorspecies 表面张力 Surfacetension 离散相粒子 粒子之间的作用 Dispersedphaseparticle particleinteractions 离散相的破碎和 或聚结 Breakupand orcoalescenceofdispersedphases 湍流影响 Turbulenceeffects 相间面积的模化 Modelinginterfacialarea 对一些多相流问题重要的物理现象 对其他多相流问题不一定重要 特别问题要特别对待 Buoyancy 在所有流动中都含有重力的影响 在当无密度梯度流动中 如 常密度的不可压流体 重力在压力梯度上的影响通过以大小相等方向相反的静压梯度的方法平衡 具体到动量守恒方程上 有 LHS rg p对gas solid和gas liquid多相流 相间的密度差可以达到1000倍 对solid liquid和liquid liquid多相流 相间密度差稍小 但是浮力项依然很重要 对很多多相流问题 浮力是必须要考虑的 ModelingBuoyancyinANSYSCFX 为了避免动量方程中出现两个大的且方向相反的两项 会增加元整误差 引入浮力参考密度并场求解对应修正压力场 rg p r r0 g p wherep p r0 g x 当激活浮力选项 这时就必须指定参考密度 对多相流问题 参考密度即是其中一相的密度 InterphaseDrag 类似于苏打饮料瓶内气泡在流体内的上升 为了求解两相的动量方程 需要对相间的拽力进行表达 气泡通过液体的上升 上升速度不同 相间拽力或动量转化就不相同 气泡由液体的作用速度变慢 液体由气泡的作用速度加快 InterphaseDrag 离散相粒子 液滴 空泡与连续相间的拽力 取决于离散相的大小和形状 流体计算域和流体性质 多数拽力经验系数来源于球形实体 固体粒子的大小和形状不随流动条件改变而变化 随流体力的变化 液滴和空泡可以变形 可以破碎或融合成更大的液滴或空泡 Smallbubbles sphericalLargerbubbles ellipsoidal DistortedDropletsandBubbles Asbubblesizeincreases sphericalcapsmaybeformed Thedragrelationshipsareverydifferentforthedifferentbubbleshapes MotionofDistortedBubbles 在椭球区域或变形区域 液滴或空泡以螺旋形路径上升 DragCoefficient 对单个粒子而言 拽力与流体和颗粒间的相对速度有关 以拽力系数表示CD 通常来说 拽力系数减少粒子雷诺数 particleReynoldsnumber 确切的关系与相的形态和流动属性有关 大多数情况下 可援引经验系数CD InterphaseMassTransfer 相间的质量转化出现在 由于热或局部压力的影响一个相的部分状态发生变化 如 沸腾boiling焊接melting凝固freezing升华sublimation凝结condensation蒸发evaporation空化cavitation 组分传输是在多组分流中从一个相扩散到另个相处 ExamplesofBoiling ExamplesofCondensation CavitationExamplesandEffects MassTransferModels 模化相间的质量变化有两种方法 如果传递非常快速而且不关心过程细节 可以假定两相始终处于热动力平衡状态 thermodynamicequilibrium 对有限速率的质量传递 可做真实的多相流分析 两相并非始终处于热动力平衡状态 Equilibriumorsingle phasemulticomponentapproach 假定质量传输过程快速代数法确定体分数 能量方程 将 Wetsteam 看成单相流体Nonequilibriumapproach求解体分数输运方程模化相间有限质量输运率 finiteinterphasemasstransferrates 将 Wetsteam 看成两相流体 连续相的水蒸气和离散相的液滴 SurfaceTension 自由液面相间力法向分量 Normalcomponent 平滑的高曲率区域导致液滴内的压力上升 切向分量 Tangentialcomponent 向高区域的移动液体马朗戈尼效应 s随温度的增加而减少 L F F sk D p Particle ParticleInteractions 在小的体分数情况下 与离散相与连续相的作用相比 稀少的离散相相互作用的可能性非常低 在这些条件下 忽略particle particle的相互作用 随着体分数的增加 particle particle的相互作用变得显著而且相间的拽力在不同体分数下也不相同 对流体中的离散固体颗粒 粒子的最大体分数达到上限的情况是固体粒子紧紧的挨在一起 这是依然有流体空间 所以最大的固体颗粒体分数依然小于1 在这个情况下 需要考虑其它力的来阻止固体颗粒体分数超过固体颗粒体分数上限 BreakupandCoalescence 液滴和空泡由于碰撞和力的作用将发生变形 这个变形会导致破碎或融合成更大的颗粒如 一定湍流强度的连续气相前喷嘴喷射的液滴的破碎连个空泡融合形成一个大的空泡液体或气体空泡在较大剪切应力区域的破碎破碎和合并可能出现 当尺度小于求解网格尺度时 可采用MUSIG模型处理Eulerian离散相或Lagrangian离散相的液滴破碎问题 在求解的网格尺度 在考虑表面张力的情况下 可模拟破碎或单个液滴 空泡的合并 InterfacialAreaDensity 单元体积的相间面积 theinterfacialareaperunitvolume 是个重要的参数 控制相间用于动量 质量 组分交换的面积 对离散相而言 表现为体分数 volumefraction ak Sphere particle model Freesurfaceflowmodel Mixturemodel 多相流模拟的建模方法 完全的多相流分析Eulerian Eulerian 体积分数的输运方程 相动量方程Eulerian Lagrangian 追踪离散相轨迹 常微分方程求解轨迹粒子 F ma 简化的多组分方法代数滑移 algebraicslip 或漂流通量模型 driftfluxmodel 发生相变的亮相流体的平衡模型 equilibriummodel 单相动量方程 或输运方程 代数滑移 或以不同组分质量分数表示不同相的代数方程 平衡模型 ModelingApproaches 不同的多相流流动采用的方法是不同的 方法是否合适取决于多相流流动的特性和相关的物理现象 简化的多组分方法发生相变的两相平衡模型 equilibriummodel 假定质量输运很快考虑混合物 液体和其蒸气 的能量和焓的代数表达式计算出体分数由计算得到的液体和其蒸气的体分数计算混合物的属性代数滑移 algebraicslip 或漂流通量模型 driftfluxmodel 假定粒子立刻达到最终速度 小颗粒 忽略拽力 代数滑移相以质量分数方式表示完全的多相流分析Eulerian Eulerian 体分数输运方程Eulerian Lagrangian 离散相轨迹追踪 Eulerian EulerianApproach 相和相之间形成连续统一体相和相之间的混合尺度大于分子尺度而小于求解尺度 相和相之间分享同样的空间体积 各相都以指定的体分数占据每个控制体 单元 求解各相的连续性方程得到各相的体分数 一般来说 各相都有各自的场变量 fieldvariables 假定相间变量相同 homogeneous 对相间的能量 质量和动量输运进行耦合计算 相间输运模型 transfermodels 对不同的问题有不同的经验输入 每一相的连续 动量 能量 和通常的标量守恒方程 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 N6 6 unknowns5 5 5 equationsvf1 vf2 1p1 p2 pN对homogeneous处理方法 假定两相处体分数外有相同的场变量 fieldvariables 总的计算量更少 经常用于自有液面问题对inhomogeneous方法 相间仅仅压力场共享 Eulerian EulerianApproach EffectofAveraging 通常 假定任何给定的单元包含一定数量的离散相粒子 液滴 或空泡 在任何给定单元包含的离散相的数目与体分数相等 相加权平均离散粒子 液滴 统计概率 volumefraction 与相间结构无关 一般变量的输运方程 这些方程除了考虑了加权平均的体分数ra及添加了相间输运相外与单相流的输运方程有相同的形式 在等式右边有两套源项 第一项是标准的体分数加权项 第二项是相间输运 对两相流来说 这里是由于能量 热 变化或动量 拽力 变化引起的相间输运项 EulerianTransportEquation ContinuityandMomentum 相的连续方程 动量方程 ANSYSCFX里内置一系列相间拽力系数模型 interphasedragcoefficient 从连续方程可以看出相间质量输运项位于等式右边 人口平衡 MUSIGModel 在标准Eulerian Eulerian应用中 离散相仅以单一直径的方法描述 实际上在大多数情况下 离散的液滴和空泡可能在流体力的作用下发生融合或破碎使得离散相直径发生变化 MUSIGModelMultipleSizeGroupmodel离散相包含一系列不同尺寸的离散颗粒对应于populationbalance方法在默认的homogeneous方法上 所有不同直径的颗粒移动速度相同可预测不同大小的颗粒的分布 对应流体力和融合或分散现象的发生局部平均尺寸和相间面积会发生变化 Eulerian LagrangianApproach 对Eulerian Lagrangian方法 连续相以先前的方式进行描述 但是对一个或多个离散相对具有代表性的粒子轨迹追踪的方法进行描述 对Eulerian相 求解所有因变量 速度 温度 等 的PDE 偏微分方程 对Lagrangian相 将运动颗粒看作运动质点 求解ODE 常微分方程 F ma md2X dt2Eulerian和Lagrangian相依然由于动量 能量和质量变化相互作用离散颗粒尺寸变化的情况下 可采用Lagrangian方法 ForceBalanceonaSingleParticle 粒子动量方程 空气动力学和质量力平衡 SingleParticleForces AlgebraicSlipModel 简化的多组分流模型对滑移 漂移速度 slip driftvelocities 采用代数方程 algebraicequation 想见帮助Advantages 减少CPU时间降低复杂度Limitations 离散相密度和颗粒直径必须较小 假定瞬时达到最终速度 忽略非拽力 Nondragforcesarenegligible AlgebraicSlipModelinANSYSCFX ANSYSCFX里的应用单相多组分流模型 Single phasemulti componentmodel 设置连续相作为约束组分设置每个离散相为 代数滑移 组分 拽力平衡 Dragforcebalance 求解器计算滑移速度 给定一颗粒拽力律 draglaw 如 SchillerNaumann 滑移速度 湍流扩散采用标准的梯度扩散假设 standardgradientdiffusionhypothesis 由湍流Prandtl数控制能量输运由滑移流动进行能量输运 壁面沉积 Walldeposition 可设Wall为depositionwalls 离散相从系统中移除 以约束相取代 后处理可以出来沉积率 Depositionrate AlgebraicSlipModelinANSYSCFX AlgebraicSlipModelinANSYSCFX 后处理变量 MassfractionVolumefractionDepositionrateSlipvelocityDriftvelocity模型缺陷 连续相和离散相自身不能是可变组分的混合物 例如 L bend joinedbyGGIGravityinx directionDepositionwallonsideandbottomThreeparticlegroups Small 1 E 6 m Medium 1 E 5 m Large 1 E 4 m Schiller Naumanndraglaw AlgebraicSlipModelExample AlgebraicSlipModelExample AlgebraicSlipModelExample AlgebraicSlipModelExample AlgebraicSlipModelExample EquilibriumMultiphaseModels 在某些情况下 不关心两相流行为的细节的描述 而关心两相混合后的流体属性 例如湿蒸气流或制冷剂蒸气流 在平衡方法 equilibriumapproach 中 假定两相混合物处于混合质量平衡态 由混合物中各相的焓决定 x hmixture hl hv hl 混合物的饱和属性以HomogeneousBinaryMixture定义 EquilibriumMultiphaseModels 用homogenousbinarymixture定义两组分的饱和属性 如 液体和蒸气homogeneousbinarymixture通常用于流体域定义单个流体指定其中一个组分 如 liquidorvapor 的平衡分数 equlibriumfraction EquilibriumModelExample ImportingmaterialsfromtheRedlich Kwonglibrary EquilibriumModelExample EquilibriumModelExample HomogeneousBinaryMixture MultiphaseinANSYSFLUENT IntroductiontoANSYDCFD FLUENT的多相流模型 FLUENT包括四种不同的多相流模型 DiscretePhaseModel DPM VolumeofFluidModel VOF EulerianModelMixtureModel选择合适的模型非常重要取决于流体是否离散 以两相间的长度尺度界定还需考虑Stokes数 颗粒松弛时间和流体特征时间的比例 VolumeandParticulateLoading 体积加载 VolumeLoading 稀疏 vs 稠密次要相的容积分数稀疏加载时 小于10 颗粒间的平均距离是颗粒直径的两倍 此时可忽略颗粒间的相互作用 粒子加载 ParticulateLoading 弥散相与连续相的惯性力比 多相流湍流模拟 多相流的湍流模拟是极具挑战性的 目前 只使用单相流湍流模型 如k 或RSM 模拟主相的湍流运动情况 湍流方程包含由次要相引起的其它湍流修正项 如果两相分离 同时相与相之间的密度比接近1 或颗粒容积分数较低 10 可用单相模型描述表征混合相的特征 对其它问题 也采用单相模型或颗粒修正模型 多组分相 MixturesofSpecies FLUENT内的所有多相流模型 任意相都可以是单物质或多组分物质 相混合物的材料定义和单相流相同 可模拟异相反应 反应物和生成物可属于不同的相 这表明异相反应会导致在交界面发生质量传递 离散相模型概述 在拉格朗日参考系中计算颗粒 液滴及气泡的轨迹 颗粒可以与连续相 气相 进行热量 质量和动量交换 每一条轨迹线代表一组初始条件相同的颗粒 DPM忽略颗粒间的碰撞及其它相互作用 湍流对颗粒运动的影响可使用随即跟踪 最常用的方法 或颗粒云团模型来模拟l 子模型 热传递 蒸发 沸腾 燃烧 破碎 融合 腐蚀 增生 DPM应用流动范围 气泡流 液滴流 颗粒加载流体积加载 必须是稀疏的 容积分数 12 粒子加载 低 中Stokes数 所有应用案例CyclonesSpraydryersParticleseparationandclassificationAerosoldispersionLiquidfuelCoalcombustion 离散相模型设置 Define Models DiscretePhase Define Injections Display ParticleTracks DPM边界条件 EscapeTrapReflect Wall jet 欧拉多相流模型 欧拉多相流模型属于多流体模型 所有相同时存在 每一相都有对应的守恒方程组 压力梯度 热传导等 守恒方程组里包含界面交换项 阻力 升力 质量传递等 界面交换项通常是非线性的 因此 有时收敛会存在困难 欧拉模型的应用流动范围Bubblyflow dropletflow slurryflow fluidizedbed particle ladenflow体积加载稀疏 稠密颗粒加载低 高Stokes数所有应用案例HighparticleloadingflowsSlurryflowsSedimentationFluidizedbedsRisersPackedbedreactors EulerianMultiphaseModelEquations Continuity Momentumforqthphase Theinter phaseexchangeforcesareexpressedas Ingeneral Energyequationfortheqthphasecanbesimilarlyformulated transient convection pressure shear interphaseforcesexchange interphasemassexchange body external lift andvirtualmassforces Volumefractionfortheqthphase Solidspressuretermisincludedforgranularmodel Exchangecoefficient 欧拉模型方程 第q相混合物组分i的多相流组分输运方程均相及异相反应的设置与单相相同相同组分可属于不同相 但之间无任何关系 transient convective diffusion homogeneousreaction homogeneousproduction heterogeneousreaction Massfractionofspeciesiinqthphase 欧拉模型设置 Define Models Viscous Define Phases 混合模型设置 基于小Stokes数的假设 混合模型是简化的欧拉模型 求解混合物动量方程 质量平均混合速度 对每一个次要相求解容积分数输运方程 混合模型应用流动范围 Bubbly droplet andslurryflows体积加载 稀疏 适当稠密颗粒加载 低 中Stokes数 St 1应用案例HydrocyclonesBubblecolumnreactorsSolidsuspensionsGassparging 混合模型方程 求解混合物连续性方程求解每一次要相容积分数输运方程求解混合物动量方程混合物参数定义如下 Driftvelocity 混合模型设置 Define Models Multiphase Define Phases 边界条件定义次要相容积分数 使用patch初始相的位置 混合模型设置 空化模型 空化模型用来模拟局部液体压力低于蒸汽压时气泡的生成 考虑非凝结气体的作用 蒸汽守恒方程中包含蒸汽生成和冷凝项 而这两项与局部压力和饱和蒸汽压差值的正负号相关 考虑非冷凝气体的存在 通常和混合模型一起使用 不兼容VOF模型 欧拉 粒子模型设置 在定义次要相时激活粒子选项 需要定义粒子特性参数 选择合适的相作用模型 VOF模型概述 VOF模型用来跟踪两种或多种不相容流体分界面的位置及运动 VOF模型可考虑 湍流 能量及组分输运表面张力及壁面粘滞作用相的可压缩性VOF模型应用 流动范围Slugflow stratified free surfaceflow体积加载稀疏 稠密颗粒加载低 高湍流模拟相间弱到中等程度的耦合Stokes数所有应用案例LargeslugflowsTankfillingOffshoreseparatorsloshingCoating VOF模型设置 Define Models Multiphase Define Phases Define OperatingConditions OperatingDe