fluentmultiphase多相流

1、 多相流模型多相流模型Introductory FLUENT Training简简 介介 相是指在流场或者位势场中，具有相同的边界条件和动力学特性的同类物质. 相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式: 具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相（液相液相，例如：油水） 流体体统包括基础相（primary）和若干从属相（secondary）组成 基础相(primary) 是连续介质 从属相 (secondary) 分散在基础相中 可以有多个不同尺寸的颗粒从属相 比较而言, 多组分流动是一种可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动。Primary PhaseSecondaryPha

2、se选择多相流模型选择多相流模型 为能选择合理的模型，用户需要预先了解流动的特点: 流态 微粒 (连续介质中的气泡，液滴和固体颗粒) 分层 (流体分界面的长度和域的长度相当) 多相湍流模型 在颗粒流动中，以下值需要估算 颗粒体积含量 Stokes数多相流的各种形式多相流的各种形式 气泡流连续流体中的离散气泡， 例如： 减震器， 蒸发器， 喷射装置。 液滴流连续气体介质中的离散液滴，例如 ： 喷雾器，燃烧室 弹性流液相中的大气泡 分层/自由表面流被清晰界面分开的互不相混的流体，例如：自由表面流 粒子流连续液体中的固体颗粒，例如 ：旋风分离器，空气清新器，吸尘器，尘埃环境流 流化床沸腾床反应堆 泥

3、浆流 流体中含有颗粒、固体悬浮物、沉淀、水力输运Gas/LiquidLiquid/LiquidGas / SolidLiquid / SolidSlug FlowBubbly, Droplet, orParticle-Laden FlowStratified / Free-Surface FlowPneumatic Transport,Hydrotransport, or Slurry FlowSedimentationFluidized Bed体积载荷和颗粒载荷体积载荷和颗粒载荷 体积载荷 稀疏型或者密集型 指从属相（ secondary phase）的体积分数 稀疏型 ( 10%)， 内部

4、颗粒间的距离大于颗粒直径两倍，因此，颗粒间的相互作用可以忽略。u颗粒载荷 离散相和连续相的惯性力比率coupling way two1,coupling way one , 1contcontpartpartncell/domai theof Volumencell/domai ain phase theof VolumeFraction VolumeprimaryVcellVsecondaryVStokes数数 流体系统中有颗粒时，根据Stokes数选择合适的模型 Stokes数(St)是粒子(离散相)时间松弛系数(d)和流动特征时间尺度(c)的比值。其中 . ，D 和 U 是流动特征长度和

5、速度。 如果 St 1, 颗粒流动独立于流场流动。cdStcdddd182UDc混合物质相混合物质相 在 FLUENT的所有多相流模型中，任何相都可以看成是由单个物质或多个物质组成的混合物构成。 混合相的材料定义和单相流中的定义一样。 可以建立异相间的反应 (反应物和产物属于不同相)。 这意味着异相反应将导致相间的质量传输FLUENT中的多相流模型中的多相流模型 适合颗粒流的模型 离散相模型 (DPM) 混合模型 欧拉多相流模型 适合有分界面的模型 VOF模型DefineModelsMultiphaseDefinePhases离散相模型离散相模型 (DPM) 拉格朗日计算方法下粒子/液滴/气泡

6、的轨迹 粒子可以与连续相交换热，质量和动量。 每条轨迹都是由一组初始条件相同的颗粒形成。 粒子与粒子间的相互作用可以忽略。 可以使用随机轨道方法或者粒子云模型来建立湍流扩散模型。 子模型 离散相的加热/冷却 流体液滴的汽化和蒸发 燃烧粒子的挥发和燃烧 喷雾模型中液滴的破碎聚合 侵蚀/沉积DPM模型的适用条件模型的适用条件 流态: 气泡流, 液滴流, 粒子流 体积载荷: 必须是稀疏型 (体积率 12%) 粒子载荷: 少量到适中 湍流模型: 相间的耦合从弱到强 Stokes数: 所有 Stokes数 应用举例 旋风分离器 喷雾干燥器 粒子的分离和分类 液体燃料 媒粉燃烧DPM 举例举例 喷雾干燥器

7、仿真喷雾干燥器仿真 使用FLUENT中DPM模型模拟仿真喷雾干燥过程，包括液体喷雾进入加热室接触干燥粉末时的流动，热交换和质量交换。 优化喷雾干燥器中的不同参数时，CFD仿真技术起到不可或缺的作用。Path Lines Indicating the Gas Flow FieldAir and methaneinletsCenterline forparticle injectionsOutlet喷雾干燥器仿真喷雾干燥器仿真 (2)Contours of Evaporated WaterStochastic Particle Trajectories for Different Initial

8、DiametersInitial particleDiameter: 2 mm1.1 mm0.2 mm欧拉多相模型欧拉多相模型欧拉多相模型欧拉多相模型 欧拉多相流模型基于平均N-S方程，可以计算任意粒子和连续相物质。 对每一相求解守恒方程。 每相同时共存: 每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率等）界面项。 界面项包括动量（升力），热量和质量交换。相间速度和温度差异使得机械能和热能的交换是非线性的。 提供了附加的模型（湍流模型等）。欧拉模型中的颗粒相关选项欧拉模型中的颗粒相关选项 当固体颗粒的浓度较高时，流动成为颗粒流，颗粒间的相互碰撞加剧。 粒子考虑为有一定密度、分子相互碰撞的云团组成

9、。颗粒相应用了分子云理论。 运用这个理论，连续相和粒子相的动量方程将出现附加应力项 粒子速度波动强度决定了这些应力项（粒子粘性、压力等）的大小。 由于粒子速度波动造成的动能表现为“pseudothermal”或粒子温度。 考虑了粒子相的不可伸缩性。欧拉模型的适用条件欧拉模型的适用条件 流态： 气泡流, 液滴流, 泥浆流, 流化床, 粒子流 体积载荷： 稀疏稠密 颗粒载荷： 低到高 湍流模型： 相间的耦合从弱到强 Stokes数 ：所有 应用举例 高浓度粒子流 泥浆流 沉淀 水力运输 流化床 冒口 反应堆欧拉模型案例欧拉模型案例 三维气泡柱三维气泡柱Iso-Surface of Gas Volu

10、me Fraction = 0.175Liquid Velocity Vectors z = 5 cmz = 10 cmz = 15 cmz = 20 cm欧拉模型应用欧拉模型应用 循环流化床循环流化床Contours of Solid Volume FractionCourtesy of Fuller Company混合模型混合模型混合模型混合模型 混合模型是一种建立多相流模型的简化欧拉方法。 简化的基础是假设 Stokes数非常小 (粒子和基础相的速度大小方向基本相同)。 求解混合物动量方程（平均质量混合速度）并规定相对速度来描述离散相。 相间的对流项与相对速度（滑移速度）相关，而相对速度

11、是在St 1的情况下的相对速度。因此在有相间分离的情况下不能用混合模型 如果需要，混合模型也可以求解湍流和能量方程。 对每个从属相求解相应的体积率输运方程。 气穴子模型 。混合模型适用条件混合模型适用条件 流域: 气泡, 液滴和 泥浆流 体积载荷: 稀疏到中等密度 颗粒载荷: 低到中等 湍流模型: 相间的耦合较弱 Stokes数: St 1, 混合模型不适用，但是我们可以使用DPM或者欧拉方法。 如果St 1, 所有模型都适用，这时就需要考虑计算速度和其它的因素。 降低松弛因子可以更好的求解相方程之间的强耦合问题。 用户应该了解各种模型的局限性和适用性，以便进行选择。附录附录建立离散相模型建立

12、离散相模型 (DPM)DefineModelsDiscrete PhaseDefineInjectionsDisplayParticle TracksDPM 模型边界条件模型边界条件 Escape Trap ReflectuWall-jet混合模型方程混合模型方程 求解混合物连续方程 求解每个从属相体积比输运方程 求解混合物动量方程 混合物属性的定义nkrkrkkkmTmmmmmmmpt1)()(uuFguuuuumtmmmurkkkmkkkktuunkkkm1Nkkkkmm11uumkrkuuunkkkm1Drift velocity混合模型设置混合模型设置 (1)DefineModelsM

13、ultiphaseDefinePhases 边界条件 为每个从属相设置体积率。 为定义相的初始位置，在初始化后，设置相的体积率。混合模型设置混合模型设置(2)气穴子模型气穴子模型 气穴模型是模拟当本地流体压力低于蒸汽压力时，气泡的形态。 气体是不可压缩的。 质量守恒方程包含了蒸汽产生和凝缩项。这些项和当地压力以及蒸汽的饱和压力有关。（当存在可压缩气体时要进行校正） 通常使用混合模型，与VOF不能同时使用。qqtqqqnpqpqpqqqqqqqqqqqqmpt,vm,lif1FFFuRguuu欧拉多相模型方程欧拉多相模型方程 连续方程: 第q 相的动量方程: 相间相互作用力的表达式为: 一般:

14、可以用同样的方法为第q相建立能量方程nppqqqqqqmt1uqppqpqKuuRqppqFFtransientconvectionpressureshearinterphaseforcesexchangeinterphase massexchangebodyexternal, lift, andvirtual mass forcesVolume fraction for the qth phaseSolids pressure term is included for granular model.Exchange coefficient欧拉多相模型方程欧拉多相模型方程 第q相中第i种组分的

15、组分输运方程 同相和异相反应的设置与单相流相同。 相同物质可能属于不同相，但是他们之间没有任何联系。nppqqpqiqqiqqiqqiqqqqiqqijjimmSRYYt1Jutransientconvectivediffusionhomogeneousreaction homogeneousproductionheterogeneousreactionMass fraction of species i in qth phase欧拉模型设置欧拉模型设置DefineModelsViscousDefinePhases欧拉粒子模型设置欧拉粒子模型设置 当设置次相时将粒子选项激活。 需要定义粒子的特

16、性。 为更好模拟粒子流，必须选上相间作用模型。VOF 模型设置模型设置DefineModelsMultiphaseDefinePhasesDefineOperating ConditionsOperating Density should be set to that of lightest phase with body forces enabled.同相反应设置同相反应设置DefinePhases与多相流相关与多相流相关UDF 当设置多相流模型时，混合物特性和变量的存储与单相流相同。 大体上， DEFINE 宏的类型决定了线程或域（混合物或者相）传递给UDF的数据。 C_R(cell,th

17、read) 中的thread 如果指向混合物，返回的便是混合物的密度，如果指向的是相，返回的便是相的密度。 数值宏用于取回数据。Mixture ThreadMixture DomainPhase 2DomainPhase 1DomainPhase 3DomainPhaseThreadInteraction DomainDomain ID =23415Domain ID简简 介介 相是指在流场或者位势场中，具有相同的边界条件和动力学特性的同类物质. 相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式: 具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相（液相液相，例如：油水） 流体体统包括基础相（pr

18、imary）和若干从属相（secondary）组成 基础相(primary) 是连续介质 从属相 (secondary) 分散在基础相中 可以有多个不同尺寸的颗粒从属相 比较而言, 多组分流动是一种可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动。Primary PhaseSecondaryPhaseStokes数数 流体系统中有颗粒时，根据Stokes数选择合适的模型 Stokes数(St)是粒子(离散相)时间松弛系数(d)和流动特征时间尺度(c)的比值。其中 . ，D 和 U 是流动特征长度和速度。 如果 St 1, 颗粒流动独立于流场流动。cdStcdddd182UDcCourtesy of

19、Fuller Company混合模型混合模型VOF模型举例模型举例 晃动的汽车油箱晃动的汽车油箱 在FLUENT中使用VOF模型，仿真模拟各种加速环境下，汽车油箱中液体的晃动（自由表面移动）。 通过仿真，我们可以看出，使用油箱底部隔板时（下图），始终能保持输油管口淹没在油当中，而没使用隔板时（上图），输油管口则有时会露在油面之上。Fuel Tank Without BafflesFuel Tank With Bafflest = 1.05 sect = 2.05 sec总总 结结 基于流动形态、体积载荷、粒子载荷、湍流和Stockes数选择合适的模型 使用VOF模型模拟自由表面流和层流。 使用