ANSYS CFD Multiphase 多物理场耦合分析课件

1、Lecture 6ANSYS CFD Multiphase,Introduction to ANSYD CFD,1,学习交流PPT,Multiphase in ANSYS CFX,Introduction to ANSYD CFD,2,学习交流PPT,Multiphase Applications,Chemical and Process Industry Gas cleaning Fluidized bed reactors Bubble columns Polymer production Mixers Dryers Power Generation Droplet combustion

2、Coal combustion Condensation 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(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model) 发生相变的亮相流体的平衡模型(equilibrium model) 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),33,学习交流PPT,Modeling Approaches,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

3、化的多组分方法 发生相变的两相平衡模型(equilibrium model) 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(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model) 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,34,学习交流PPT,Eulerian-Eulerian Approach,相和相之间形成连

4、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(field variables). 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(transfer models)对不同的问题有不同的经验输入.,35,学习交流PPT,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

5、 (u, v, w, p, T, vf)N 6 + 6 + unknowns 5 + 5 + 5 equations vf1+vf2 + = 1 p1=p2=pN 对homogeneous处理方法, 假定两相处体分数外有相同的场变量 (field variables) 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-Eulerian Approach,36,学习交流PPT,Effect of Averaging,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.

6、 相加权平均 离散粒子, 液滴, . 统计概率 (volume fraction) 与相间结构无关,37,学习交流PPT,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,Eulerian Transport Equation,38,学习交流PPT,Continuity and Momentum,相的连续方程: 动量方程: ANSYS CFX里内置一系列相间拽力系数模型(inter

7、phase drag coefficient ). 从连续方程可以看出相间质量输运项位于等式右边.,39,学习交流PPT,人口平衡/MUSIG Model,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. MUSIG Model Multiple Size Group model 离散相包含一系列不同尺寸的离散颗粒 对应于population balance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,

8、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,40,学习交流PPT,Eulerian-Lagrangian Approach,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 = m d2X/dt2 Eulerian 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

9、的情况下, 可采用Lagrangian方法,41,学习交流PPT,Force Balance on a Single Particle,粒子动量方程 空气动力学和质量力平衡,42,学习交流PPT,Single Particle Forces,43,学习交流PPT,Algebraic Slip Model,简化的多组分流模型 对滑移/漂移速度(slip/drift velocities)采用代数方程(algebraic equation) 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(N

10、ondrag forces are negligible),44,学习交流PPT,Algebraic Slip Model in ANSYS CFX,ANSYS CFX里的应用 单相多组分流模型(Single-phase multi-component model) 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(Drag force balance) 求解器计算滑移速度, 给定一颗粒拽力律(drag law, 如, Schiller Naumann). 滑移速度,45,学习交流PPT,湍流扩散 采用标准的梯度扩散假设(standard gradient diffusio

11、n hypothesis), 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(Wall deposition) 可设Wall为deposition walls. 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(Deposition rate),Algebraic Slip Model in ANSYS CFX,46,学习交流PPT,Algebraic Slip Model in ANSYS CFX,后处理变量: Mass fraction Volume fraction Deposition rate Slip velocity Drift velocit

12、y 模型缺陷: 连续相和离散相自身不能是可变组分的混合物,47,学习交流PPT,例如: L-bend, joined by GGI Gravity in x-direction Deposition wall on side and bottom Three particle groups: Small: 1.E-6 m Medium: 1.E-5 m Large: 1.E-4 m Schiller-Naumann drag law,Algebraic Slip Model Example,48,学习交流PPT,Algebraic Slip Model Example,49,学习交流PPT,A

13、lgebraic Slip Model Example,50,学习交流PPT,Algebraic Slip Model Example,51,学习交流PPT,Algebraic Slip Model Example,52,学习交流PPT,Equilibrium Multiphase Models,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(equilibrium approach)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

14、性以Homogeneous Binary Mixture定义.,53,学习交流PPT,Equilibrium Multiphase Models,用homogenous binary mixture定义两组分的饱和属性 (如. 液体和蒸气 homogeneous binary mixture通常用于流体域定义单个流体 指定其中一个组分 (如. liquid or vapor) 的平衡分数(equlibrium fraction) .,54,学习交流PPT,Equilibrium Model Example,Importing materials from the Redlich-Kwong l

15、ibrary,55,学习交流PPT,Equilibrium Model Example,56,学习交流PPT,Equilibrium Model Example,Homogeneous BinaryMixture,57,学习交流PPT,Multiphase in ANSYS FLUENT,Introduction to ANSYD CFD,58,学习交流PPT,FLUENT的多相流模型,FLUENT 包括四种不同的多相流模型: Discrete Phase Model (DPM) Volume of Fluid Model (VOF) Eulerian Model Mixture Model

16、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),59,学习交流PPT,Volume and Particulate Loading,体积加载(Volume Loading) 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(Particulate Loading)弥散相与连续相的惯性力比.,60,学习交流PPT,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

17、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.,61,学习交流PPT,多组分相(Mixtures of Species),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.,62,学习交流PPT,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（

18、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 Cyclones Spray dryers Particle separation and classification Aerosol dispersion Liquid fu

19、el Coal combustion,63,学习交流PPT,离散相模型设置,Define,Models,Discrete Phase,Define,Injections,Display,Particle Tracks,64,学习交流PPT,DPM 边界条件,Escape Trap Reflect,Wall-jet,65,学习交流PPT,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 B

20、ubbly flow, droplet flow, slurry flow,fluidized bed, particle-laden flow 体积加载 稀疏稠密 颗粒加载 低高 Stokes 数 所有 应用案例 High particle loading flows Slurry flows Sedimentation Fluidized beds Risers Packed bed reactors,66,学习交流PPT,Eulerian Multiphase Model Equations,Continuity: Momentum for qth phase: The inter-ph

21、ase exchange forces are expressed as: In general: Energy equation for the qth phase can be similarly formulated.,transient,convection,pressure,shear,interphase forcesexchange,interphase massexchange,body,external, lift, andvirtual mass forces,Volume fraction for the qth phase,Solids pressure term is

22、 included for granular model.,Exchange coefficient,67,学习交流PPT,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,homogeneous reaction,homogeneous production,heterogeneous reaction,Mass fraction of species i in qth phase,68,学习交流PPT,欧拉模型设置,Define,Models,Visco

23、us,Define,Phases,69,学习交流PPT,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, and slurry flows 体积加载: 稀疏适当稠密 颗粒加载: 低中 Stokes 数: St 1 应用案例 Hydrocyclones Bubble column reactors Solid suspensions Gas sparging,70,学习交流PPT,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

24、数输运方程 求解混合物动量方程 混合物参数定义如下:,Drift velocity,71,学习交流PPT,混合模型设置,Define,Models,Multiphase,Define,Phases,72,学习交流PPT,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,73,学习交流PPT,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.,74,学习交流PPT,欧拉粒子模

25、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.,75,学习交流PPT,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 Slug flow, stratified/free-surface flow 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 Large slug flows Tank filling Offshore separator sloshing Coat

26、ing,76,学习交流PPT,VOF 模型设置,Define,Models,Multiphase,Define,Phases,Define,Operating Conditions,Operating Density should be set to that of lightest phase with body forces enabled.,77,学习交流PPT,应用于多相流的UDFs,当激活多相流模型的时候, 与单相计算类似也需设置多相的性质和变量. 需要thread和domain数据结构(thread 和 domain data structures ). 通常宏DEFINE 用于定

27、义thread或 domain (mixture或phase). 若thread是mixture thread或phase densities , C_R(cell,thread) 返回mixture density.,Mixture Thread,Phase 1 Domain,Phase 3 Domain,Phase Thread,Interaction Domain,Domain ID =,2,3,4,1,5,Domain ID,78,学习交流PPT,DPM 案例 Spray Drier,喷雾干燥(Spray)器的模拟, 包括液体以雾状方式喷入加热的容器中 ,用DPM模拟流动、传热、传质过程.,Contours of Evaporated W