ansys教学算例集fl-二维流化床中均匀分析

二维流化床中均匀流化的分析算例来源：ANSYS官方算例算例制作：崔亮算例校核：关键词：摘要本算例使用ANSYSFluent19.1软件，对二维流化床均匀流化的过程进行仿真。文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数和后处理的设置。通过仿真计算获得流化床内瞬态的固体颗粒体积分率分布等结果。案例描述ANSYSFluent中的欧拉模型能够模拟涉及复杂相间动量传递的密相颗粒流，此时颗粒在相间阻力和体积力的共同作用下处于悬浮状态，由于模型中所使用的阻力定律本质上仍然是半经验性质的，因此需要选择合适的阻力定律，以准确预测颗粒床的初始或最小流化条件。本算例仿真的流化床模型如下图所示，空气以0.25m/s的速度从底部进入，顶部是出口，初始状态时流化床内堆积了部分固体颗粒，体积分率为0.55，接近压紧状态。创建工作目录并启动Fluent在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如Fluidized_Bed），将网格文件bp.msh.gz拷贝至该目录下。启动Fluent19.1，在FluentLauncher中，Dimension选择2D，DisplayOptions中勾选DisplayMeshAfterReading和WorkbenchColorScheme，Options中勾选DoublePrecision，ProcessingOptions选择Serial（用户也可以根据现有的硬件资源和License授权酌情选择合适的并行数），更改WorkingDirectory路径至该网格文件目录下，点击OK启动Fluent19.1。导入网格文件菜单中点击【File】>【Read】>【Mesh…】，选取网格文件bp.msh.gz，点击OK导入网格。此时，图形界面中可以查看导入的网格。General一般设置树中点击【Setup】>【General】>【Mesh】>【Check】，Fluent开始对网格进行检查，以米制为单位列出模型在XYZ各方向的尺寸范围，并报告出网格中可能存在的问题。注意重点关注最小体积（minimumvolume）的数值，确保其为正值，因为Fluent无法对负体积的网格进行计算。General一般设置（续）树中【Setup】>【General】，在Solver中选择瞬态（Transient）、基于压力的（Pressure-Based）求解器和Planar的2DSpace，勾选Gravity，输入Y方向的重力加速度为-9.81。Materials材料设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【Materials】，进行材料物性设置。在Materials的TaskPage中点击【Fluid】>【Air】>【Create/Edit…】，在弹出的Create/EditMaterials窗口中，Density输入1.2，Viscosity输入1.8e-5，点击Change/Create。Materials材料设置（续）继续在Create/EditMaterials窗口中，Name修改为solid，Density输入2600，Viscosity输入1.8e-5，点击Change/Create，在弹出的Question窗口中点击No，新建的solid会出现在材料列表中。点击Close关闭Create/EditMaterials窗口。Multiphase多相流模型设置树中【Setup】>【Models】>【Multiphase】，鼠标左键双击Multiphase，在弹出的MultiphaseModel窗口中选择Eulerian，点击OK关闭MultiphaseModel窗口。Multiphase多相流模型设置（续）树中【Setup】>【Models】>【Multiphase(Eulerian)】>【Phases】，鼠标左键双击Phases，弹出Phases窗口，在Phases中选择phase-1–PrimaryPhase，点击Edit，在弹出的PrimaryPhase窗口中，Name中输入gas，PhaseMaterial下拉菜单中选择air，点击OK关闭PrimaryPhase窗口。Multiphase多相流模型设置（续）继续在Phases窗口中，在Phases中选择phase-2–SecondaryPhase，点击Edit，在弹出的SecondaryPhase窗口中，Name中输入solid，PhaseMaterial下拉菜单中选择solid，勾选Granular，在Properties中，Diameter输入0.0003，GranularViscosity选择syamlal-obrien，点击OK关闭SecondaryPhase窗口。点击Close关闭Phases窗口。BoundaryConditions设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【BoundaryConditions】，进行边界条件的设置。在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠标左键单击选中vinlet，确认其Type是velocity-inlet，如果不是，从Type的下拉菜单中切换选择。在Phase的下拉菜单中选择gas，点击【Edit…】，弹出VelocityInlet窗口，在VelocitySpecificationMethod中选择Components，在Y-Velocity中输入0.25，点击OK完成设置。BoundaryConditions设置（续）继续在Phase的下拉菜单中选择solid，点击【Edit…】，弹出VelocityInlet窗口，切换到Multiphase标签卡，确认VolumeFraction中的数值为0，点击OK完成设置。BoundaryConditions设置（续）在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠标左键单击选中outlet，确认其Type是outflow，如果不是，从Type的下拉菜单中切换选择。在Phase的下拉菜单中选择mixture，点击【Edit…】，弹出Outflow窗口，确认FlowRateWeighting中的数值为1。点击OK完成设置。OperatingConditions操作条件设置菜单中点击【SettingUpPhysics】>【Solver】>【OperatingConditions…】，弹出OperatingConditions窗口，在Gravity中勾选Gravity，在GravitationalAcceleration中的Y输入-9.81，在Variable-DensityParameters中勾选SpecifiedOperatingDensity，在OperatingDensity中输入1.2。点击OK关闭OperatingConditions窗口。SolutionMethods求解方法设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】>【Methods】，进行求解方法的设置。TransientFormulation选择BoundedSecondOrderImplicit。SolutionControls求解控制设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】>【Controls】，进行求解控制的设置。在SolutionControls的TaskPage中，Under-RelaxationFactors中的Pressure修改为0.5，Momentum修改为0.2，VolumeFraction修改为0.4，其余的松驰因子保留默认值。Initialization初始化树中【Solution】>【Initialization】，鼠标左键双击Initialization，在TaskPage中InitializationMethods选择为StandardInitialization，在InitialValues中，solidGranularTemperature输入0.0001，其余的都输入0。点击Initialize按钮进行初始化。Initialization初始化（续）在菜单中点击【SettingUpDomain】>【Adapt】>【Mark/AdaptCells】>【Region…】，弹出RegionAdaption窗口，在InputCoordinates中依次输入以下数值，XMin是0，XMax是0.15，YMin是0，YMax是0.15，点击Mark按钮，在输出窗口中可以看到，共有840个cells被标记。Initialization初始化（续）点击Patch…按钮，弹出Patch窗口，在Phase下拉菜单中选择solid，在Variable中选择VolumeFraction，在Value中输入0.55，在RegisterstoPatch中选择hexahedron-r0，点击Patch。点击Close关闭Patch窗口。PhaseInteraction相间作用设置本算例中选用的相间阻力定律为Syamlal-O'Brien阻力定律，该阻力定律适用于多种问题，但必须适当调整其参数以准确预测颗粒床的最小流化条件。该阻力定律中默认的参数是对应于最小流化速度为21cm/s时的情形，而通过对应于本算例的实验观测数据可知，该颗粒床的最小流化速度为8cm/s，因此需要对Syamlal-O'Brien阻力定律中的参数做出相应的修改。PhaseInteraction相间作用设置（续）树中【Setup】>【Models】>【Multiphase(Eulerian)】>【PhasesInteractions】，鼠标左键双击PhasesInteractions，弹出PhasesInteractions窗口，切换到Drag标签卡中，在DragCoefficient下拉菜单中选择syamlal-obrien-para，弹出SyamlalObrienModel窗口，在VoidFraction中输入0.45，在MinimumFluidizationVelocity中输入0.08，点击Validate/Apple，可以看到Syamlal-O'Brien阻力定律中的参数c1变为0.2816321，d1变为9.07696。点击Close关闭SyamlalObrienModel窗口。点击OK关闭PhasesInteractions窗口。RunCalculation运行计算在开始瞬态计算之前，先定义并设置好瞬态计算中需要输出的固体颗粒的体积分率云图。树中【Results】>【Graphics】>【Contours】，鼠标左键双击Contours，弹出Contours窗口，ContourName中输入vof_contour，在Options中勾选Filled和NodeValues，取消选择GlobalRange、AutoRange和CliptoRange，Coloring选择Smooth，Phase选择solid，Contoursof选择Phases…>Volumefraction，Min中输入0，Max中输入0.53，Surfaces不选择任何边界，点击Save/Display按钮，显示固体颗粒的体积分率云图。RunCalculation运行计算（续）树中【Solution】>【CalculationActivities】>【SolutionAnimations】，鼠标左键双击SolutionAnimations，弹出AnimationDefinition窗口，在Recordafterevery中输入10，每间隔10个时间步输出一次图片。在AnimationObject中选择vof_contour，在AnimationView中选择front，点击Preview按钮查看视图并做适当调整。点击OK按钮关闭AnimationDefinition窗口。RunCalculation运行计算（续）树中【Solution】>【CalculationActivities】>【Autosave(EveryTimeStep)】，鼠标左键双击Autosave(EveryTimeStep)，弹出Autosave窗口，在SaveDataFileEvery(TimeSteps)中输入100，每间隔100个时间步自动保存一次该时刻的结果数据文件。在FileName中输入bp-uns.gz，点击OK按钮关闭Autosave窗口。注意，这里使用Autosave功能的主要目的是为了防止瞬态计算出现意外时，可以从中途保存了结果的时刻开始继续计算，而不至于从头开始。如果需要使用CFD-Post或者EnSight对瞬态结果进行后处理，需要将SaveDataFileEvery(TimeSteps)设置的更小（例如之前在SolutionAnimations中设置的10），以便输出更多时刻的数据结果。RunCalculation运行计算（续）树中【Solution】>【RunCalculation】，鼠标左键双击RunCalculation，在TimeStepSize中输入0.001，在NumberofTimeSteps中输入1400，在Options中勾选ExtrapolateVariables。菜单中点击【File】>【Write】>【Case&Data…】，在Case/DataFile中输入文件名bp-init.cas.gz，点击OK保存初始时刻的Case和Data文件。点击Calculate运行计算。Post-processing后处理在最左侧的树中，使用【Results】中的相关工具，对瞬态计算结果进行后处理。树中【Results】>【Animations】>【SolutionAnimationPlayback】，鼠标左键双击SolutionAnimationPlayback，弹出Playback窗口，在Playback中通过拖动Frame右侧的滑块或点击左右箭头，调整到合适的帧显示。由于之前在SolutionAnimations中定义的是每间隔10个时间步输出一帧，瞬态计算共进行了1400个时间步，因此一共有140