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1、FLUENT模拟气泡的破碎与凝聚 本例来自于Fluent 13.0官方教程FLUENT的附加模型population balance model可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本例使用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚现象。1、模型描述计算域几何如图1所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部inlet入口进入，从outlet出口流出。几何尺寸如图所示。由于本例的轴对称特征，因此采用轴对称模型。注意：FLUENT的2D轴对称模型要求对称轴为x轴。计算域模型如图2所示。Axis沿着x轴方向，后边的重力加速度即沿着x轴负方向。划分网格，生成msh文件。图1 几何模型图2 计算

2、域模型2、导入网格打开Fluent 14.0，读入上一步生成的msh文件。Scale计算域，检查是否在正确的尺寸上。选择Transient模拟，设置重力方向x轴负方向，并且设置2D Space为Axisymmetric。如图3所示。图3 基本设置3、选择模型激活PBM模型需要通过TUI命令。在TUI窗口中输入define/models/addon-module，然后输入yes回车即可激活PBM模型。多相流模型选择Eulerian模型，欧拉相数量为2。如图4所示。图4 多相流模型湍流模型选择标准k-e模型，标准壁面函数。湍流多相流模型采用mixture，如图5所示。图5 湍流模型双击models

3、中的population balance模型，选择discrete，进入图6所示对话框，进行如图所示设置。图6 PBM设置具体含义可以参考fluent PBM手册，这里简要的说明一下。Kv为增长因子，geometric ratio为几何对数方法，与后面的ratio exponent相对应。Bins为直径的数量，这里共有6组直径气泡，最小直径0.001191，最大直径是根据kv及ratio计算出来的。勾选aggregation kernel及breakage kernel，选择aggregation kernel方法为luo-model，这时会弹出表面张力系数设置，输入0.07。Frequenc

4、y选择luo-model方法，同样设置表面张力系数0.07OK，模型设置到此结束。4、材料及相设置添加材料water-liquid，材料属性保持默认。设置water-liquid为主相，air为第二相。第二相的diameter方法为sauter-mean。若设置相在设置PBM之前，则PBM会自动修改此项。相间作用可以不用设置。5、设置计算域设置operating conditions，设置参考密度为空气密度1.225，如图7所示。图7 operating conditions设置6、边界条件设置确保axis边界类型为axis。所有的wall边界保持默认，即no slip壁面边界。（1）Velo

5、city inlet边界：设置mixture相：如图8所示，设置湍流参数。图8 入口mixture相设置设置air相：设置momentum标签页下的速度为0.02m/s。进入multiphase标签页，进行如图9所示设置。图9 入口设置设置volume fraction为1，表示进入的全部为air。设置bin-3-fraction为1，其他全部为0。表示进入的气泡粒径为bin-3。（2）设置pressure outlet边界Mixture相：如图10进行设置。图10 出口边界Air相：与入口air相类似，只需要设置multiphase标签页，如图11所示。设置backflow volume f

6、raction为1，设置bin-3-fraction为1，表示出口全为bin-3粒径的air。图11 出口设置7、求解控制Solution methods及solution controls并没有特殊要求，可以采用默认设置。可以利用坐标创建点，利用Monitor检测指定粒径的气泡含量，如图12所示。图12 监测本例检测点（1.5,0）位置的bin0,bin3,bin5体积分数。用户可以自己定义监测位置及检测变量。8、初始化设置湍动能0.1，湍流耗散率0.25，air bin-3-fraction为1，点击initialize进行初始化。同时还需要patch区域。进入菜单【adapt】>【

7、Region】，如图13所示对话框进行设置。所标记的区域位于(1.8,0)与（2,0.145,）之间。即高度1.8m以上区域。我们patch该区域全为粒径bin3的气体。图13 区域标记点击patch按钮，进入如图14所示对话框。图14 patch区域气泡粒径图15 patch区域体积分数为气体9、求解计算设置time step size为0.01s，设置number of time steps为5000，同时设置max iterations/Time step为100，如图16所示。图16 求解计算10、计算后处理可以观察气泡粒径分布云图等，如图17所示为气泡粒径分布。图17 粒径

8、分布云图也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图分布。图18 直方图设置图19 直方图显示上喷式喷射器内气泡分布的模拟发表时间：2012-7-17    作者: 郭方飞 姚云  来源: 安世亚太关键字: Ansys CFD 气液混合 ：喷射器是一种高效的气液混合设备，通过对上喷式喷射器内气液两相流中气泡尺寸分布的模拟，并和文献中的实验结果进行对比分析后，发现模拟结果与实验数据比较一致.在喷射器内气液泡状流中气泡尺寸分布主要受湍动控制的影响，当气相和液相流量分别增加时，两相间的传动及能量分配能够使气泡分散成更小的尺寸，从

9、而增大传质效果。同时也证明采用Ansys CFD 模型和 PBM模型能够对喷射器内气液两相流中泡状流范围内的气泡尺寸分布进行较为准确的模拟。1 引言     喷射器是一种应用非常广泛的设备结构形式，在化工、能源、环境工程、食品工程等各种工程行业中都有重要的应用，如化工中的喷射式反应器、低温工程的涡流喷射器，各种射流泵等。喷射器用于多相流在近年来越来越受到关注。由于喷射器内压力能和动能的相互转换，能够引起流体之间动能、动量的相互传递和分配，从而使得不同流体运动过程中在特定的条件下获得较好的流态，有助于相间传质传动，达到较好的混合效果。气液两相流的混合和传质

10、效果很大程度上受到两相流型流态的影响。当其中一相在另一相中形成分散相后，能够增大相间接触面积，从而改善相间传质，本文即通过模拟的方法与实验的结果进行对比分析，讨论了喷射器内气液两相的运动和混合状态，了解喷射器内气液两相的分布，以提供分析气液两相之间传质过程的参考。实验采用粒子成像测速仪拍摄喷射器一段区域（成像较好）。 2 喷射器结构 2.1 基本结构     喷射器基本结构见图1。喷射器主要由喷嘴、直管段（混合段）、扩散段组成。 2.2 可调结构参数     图1所示的喷射器结构参数一

11、般经过确定后，成为磨具的基本参数，实物模型基本不发生变化，如有变化，即成为另一喷射器模型。但喷嘴与直管段间的距离是可调的，该距离的不同，会影响液体进入喷射器直管段后的射流长度。本次模拟研究时此距离取7mm。 3 模型建立     气液两相为多相流，因此在建立模型的时候采用CFD中的多相流模型。在选择多相流模型时，首先根据气液两相可能形成的流型进行分析，根据不同的气液流速用实验的方法研究了两相流型，当气体流量为0.1m3/h，液体流量0.21.0时均为泡状流。而当液相流量为0.6m3/h，气相流量为0.10.4m3/h时，两相流型也为泡状流，但有

12、向雾状流过渡的趋势。本次研究的气液流量范围为两相成泡状流的情况，模拟时，具有颗粒行为模拟能力的模型有两种：群平衡方程（PopulationBalanceModel,PBM）和离散相模型（DiscretePhaseModel,DPM）。 3.1 群平衡方程（PopulationBalanceModel,PBM）     由于气泡行为的重要性，其分布又会随着传递和化学反应不断演变，是不同现象如核聚、生长、分散、溶解、凝聚和破碎等过程的联合。因此，在涉及气泡分布的多相流中，就需要平衡方程来描述粒群变化，及其动量、质量和能量守恒。可以利用群平衡模型的例

13、子包括结晶、从气相或液相沉降、泡罩塔、气体喷射、喷雾、流化床聚合、制粒、液液乳化与分离、气雾流等。商业化的软件包Fluent里已经嵌入气泡聚裂模型，且给出了不同的群平衡方程解法，如离散化群平衡法、标准矩法和二阶矩法。这给诸多对计算机编程能力比较弱的工程技术人员提供了很大帮助和方便，节省了大量的精力。具体的方程此处不再赘述，可参见AnsysFluenthelp内容。 3.2 离散相模型     离散相模型是用拉格朗日计算方法模拟离子、液滴、气泡的轨迹，如计算散布相的加热或冷却、流体液滴的汽化和蒸发、喷雾模型中液滴的分裂和融合等等。具体方程及模型可

14、参见AnsysFluenthelp内容。 3.3 模型选择     对于简单的气液两相模型，当不考虑气体在液体中的分散状态时，可以将两相均视为连续相，当要细化其中一相的具体分布情况时，毫无疑问，群平衡方程PBM和离散相模型就需要被嵌入到基本的N-S方程中。PBM方程主要的作用是能够计算颗粒之间的作用，颗粒的聚并和分裂，在大宗流体内颗粒较多的时候可选用该方程。DPM模型主要用于计算分散相体积<12%,粒子之间的相互作用可以忽略的场合。本文的研究过程是液相喷射卷吸气相，在一定的流量范围内形成泡状流，在喷射器的受限空间内大量产生，气泡较多，因此

15、可选择PBM模型。为了计算简化，节省计算成本，在模拟过程中对结构和过程进行了适度简化。 4 结果与讨论 4.1 实验结果1     作者在之前的一系列论文中通过PIV/PLIF实验的方法，测量了不同气液流量、流速对气液两相流流型的影响。文献3给出了喷嘴上无旋流器时喷射器内气液两相的各种流型。其中气相流量在0.10.4m3/h，液相流量在0.20.8m3/h。当液相不变时，取L=0.6m3/h，气相流量在0.10.4m3/h之间变化时，实验结果见图2。     当液相流量不变，进入喷射器的动能即不

16、变，而气相流量增大时，相同的液相需要与更多的气相传动，导致了气液两相间能量分配不同，图3即表明了气量增大时，气体在液体内的分散程度首先增大，气泡增多，但随着气体更大，受限的喷射器空间和液相能量不能将气体完全分散成独立气泡的几率开始增大，有逐渐向其他流型转变的趋势。分页4.2 模拟结果1     采用ANSYS公司Fluent软件中的多相流模型（欧拉模型）和群平衡方程（PBM），首先对图2中气相流量为0.1m3/h，液相流量为0.6m3/h的情况进行了模拟。为了减小模拟的计算难度，采用了二维的几何模型。     混合

17、段入口处采用了速度进口，扩散段出口处采用了压力出口。PBM模型嵌入Fluent后，采用了Discrete求解方法，气泡尺寸分为6组，根据最小气泡组的尺寸和合适的几何指数，由Fluent自动计算出其他几组的气泡尺寸大小。同时采用多相流模型，在第二相气相中，选择SauterDiameter作为计算相间相互作用的粒径大小。     图3中气泡尺寸由大到小的分组依次是Bin0(3.7mm)、Bin1(3.2mm)、Bin2(2.3mm)、Bin3(1.8mm)、Bin4(1.3mm)、Bin5(0.55mm)。初始场给定各气泡组的体积分率分别为1%、6%、3%、

18、17%、46%、25%。经过迭代计算后，以喷嘴处沿喷射器轴线的距离（mm）为横坐标，各组气泡的体积分率为纵坐标，绘制各组气泡尺寸变化趋势图（图3）。从图中可以看到在此流量条件下，各组气泡沿着流体流动方向不断被合并，形成较大的气泡，大气泡（Bin0）的体积分率从一开始的1%，一直到喷射器出口的100%。而其他组的气泡（Bin15）在最初的体积分率假设值下，在经过流体之间互相作用后体积分率都逐渐减小。根据各组经过达到其最大体积分率所对应的轴线距离逐渐增大，可以得出，当假设各组气泡从喷嘴处进入喷射器时，气泡沿流动方向逐渐被合并成较大气泡。最小的气泡先进行合并，然后形成的较大的气泡之间再合并成更大的气

19、泡，在此过程中气泡合并作用远大于分裂作用。另外，从图3中还可以看到在喷射器的大部分区域，尽管主导气泡尺寸在变化，但各组气泡的最大体积分率相差不大，都在2540%之间。这也说明气泡在喷射器内的分布相对比较均匀。     虽然图3的趋势显示了图2中实验拍照区域内气泡的变化，但是由于结构和模型的简化，导致最后大气泡的单一化，而且实验和模拟都无法给出喷嘴处气体被液体破碎的过程，因此模型还需要进一步的优化和改进。     当液相流量不变时，根据SauterDiameter的计算公式，计算了不同气相流量下（0.10.4m3/h）下的沙得直径，见图4。     图4中模拟值要高于实验值，但是随着气相流量的增大，气泡的平均直径（沙得直径）变化趋势基本一致。 4.3 实验结果2     当气相流量不变时，一组实验图片见图5。     从图6模拟数据和实