ANSYS-CFD-Multiphase-多物理场耦合分析PPT
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ANSYS多物理场耦合及高性能计算
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
Maxwell +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 电机磁场焦耳热--温度计算 电机结构分析 电机磁场电磁力
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
Maxwell +ANSYS Fluent 变压器磁场焦耳热--温度场、流场计算
Maxwell网格 Fluent 导入后 焦耳热
• 将软件与硬件充分融合，发挥最大的效益
典型的高性能系统的软硬件构成
• 硬件系统
• • • • CPU 互联 内存 存储
• 系统软件
• 操作系统, 硬件驱动 • 并行计算中间件(PVM, MPI) • 任务调度负载均衡软件
• 应用软件
• FEA • CFD • CEM
高性能计算系统硬件选择
• 处理器 ( 核数+ 主频 ) :（决定求解速度） • CPU主频越高，单核的求解速度越快 • 多核求解进程可以缩短求解时间 • * 注意: 两核以上的求解需要更多的HPC license • 两种互联模式（不同算法，有所差异）
835 633 301
显式结构有限元算法HPC特性
12
10
11.21
Woodcrest 5160(3.0G) / Infiniband
Wall time (s)
• 内存建议最大4GB/核 • 需大容量磁盘
8
6.51
6 4Байду номын сангаас
2
3.17 1.65 0.95
• 需高性能互联
LS-DYNA 3-car collision
ANSYS CFX +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 汽车排气歧管流动分析--换热系数--温度场计算 汽车排气歧管流动分析--压力 ANSYS Workbench: Integrated Simulation Process
ansys多物理场耦合技术和方法
ANSYS是一种广泛应用于工程领域的仿真软件，它提供了多物理场耦合分析的能力，用于模拟和解决多个物理现象相互作用的问题。
以下是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些常见应用：1. 结构-热耦合（Thermo-Structural Coupling）：这种耦合方法用于分析结构在热载荷下的变形和应力响应。
它可以考虑热传导、热辐射、温度梯度等对结构性能的影响，并通过结构和热传导方程之间的相互作用来解决这些问题。
2. 结构-电磁耦合（Electromagnetic-Structural Coupling）：这种耦合方法用于研究结构在电磁场作用下的响应。
它可以考虑电磁场的电流、磁场、电磁感应等对结构的影响，并通过结构和电磁场方程之间的相互作用来解决这些问题。
3. 流体-结构耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）：这种耦合方法用于模拟流体和结构之间的相互作用。
它可以考虑流体力学中的压力、速度、湍流、流体-固体界面等对结构的影响，以及结构对流体的阻力、振动等反馈作用。
4. 流体-热耦合（Fluid-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟流体和热传导之间的相互作用。
它可以考虑流体在流动过程中的热对流、辐射等对热传导的影响，以及热传导对流体温度分布的影响。
5. 电磁-热耦合（Electromagnetic-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟电磁场和热传导之间的相互作用。
它可以考虑电磁能量的吸收、热产生和热扩散等对系统温度分布的影响，以及温度对电磁特性的影响。
以上只是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些例子，实际中还有其他类型的耦合分析，如声-结构耦合、声-流体耦合等。
通过使用这些耦合技术和方法，工程师可以更准确地模拟和分析不同物理场之间的相互作用，从而更好地优化设计和解决实际问题。
耦合和约束方程ansys教程课件
耦合和约束方程ansys教程课件
16.1.8 练习：耦合循环对称边界
❖ 在此练习中，由生成耦合DOF 设置来模拟有循环对称性的模 型的接触问题
1.建模并在图形窗口中画单元 2.在总体柱坐标系下，生成具有
Y的增量为30的节点复制件 a.将当前坐标系变为总体柱坐
标系 b. 在当前坐标系中，以Y=30
的增量拷贝所有的结点
例如, cp,,ux,all 是把所有选择节点在UX方 向上耦合
输入耦合设置参考号 ，选择自由度卷标
耦合和约束方程ansys教程课件
16.1.6 创建耦合设置(续)
❖②在零偏移量的一组节点之间生成附加耦合关系: ❖Main Menu: Preprocessor > Coupling / Ceqn > Gen w/Same Nodes
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16.2.1 约束方程的特点
约束方程的特点 ❖ 自由度卷标的任意组合 ❖ 任意节点号 ❖ 任意实际的自由度方向――在不同的节点上
ux可能不同
耦合和约束方程ansys教程课件
16.2.2 一般应用
❖ 连接不同的网格 • 实体与实体的界面 • 2－D或3－D • 相同或相似的单元类型 • 单元面在同一表面上，但结点位置不重合
如：用耦合施加循环对称 性，在循环对称切面上的 对应位置实施自由度耦合
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16.1.3 施加对称条件
❖ 耦合自由度常被用来施加移动或循环对称性条件。 这可以保证平面截面依然是平面。例如：
❖ -对圆盘扇区模型 (循环对称)，应使两个对称边界上 的对应节点在各个自由度上耦合。
性区的其它节点上 ❖ 使用CERIG 命令(或 Preprocessor > Coupling/Ceqn
16.1.8 练习：耦合循环对称边界
❖ 在此练习中，由生成耦合DOF 设置来模拟有循环对称性的模 型的接触问题
1.建模并在图形窗口中画单元 2.在总体柱坐标系下，生成具有
Y的增量为30的节点复制件 a.将当前坐标系变为总体柱坐
标系 b. 在当前坐标系中，以Y=30
的增量拷贝所有的结点
例如, cp,,ux,all 是把所有选择节点在UX方 向上耦合
输入耦合设置参考号 ，选择自由度卷标
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16.1.6 创建耦合设置(续)
❖②在零偏移量的一组节点之间生成附加耦合关系: ❖Main Menu: Preprocessor > Coupling / Ceqn > Gen w/Same Nodes
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16.2.1 约束方程的特点
约束方程的特点 ❖ 自由度卷标的任意组合 ❖ 任意节点号 ❖ 任意实际的自由度方向――在不同的节点上
ux可能不同
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16.2.2 一般应用
❖ 连接不同的网格 • 实体与实体的界面 • 2－D或3－D • 相同或相似的单元类型 • 单元面在同一表面上，但结点位置不重合
如：用耦合施加循环对称 性，在循环对称切面上的 对应位置实施自由度耦合
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16.1.3 施加对称条件
❖ 耦合自由度常被用来施加移动或循环对称性条件。 这可以保证平面截面依然是平面。例如：
❖ -对圆盘扇区模型 (循环对称)，应使两个对称边界上 的对应节点在各个自由度上耦合。
性区的其它节点上 ❖ 使用CERIG 命令(或 Preprocessor > Coupling/Ceqn
《ANSYS教程》课件
2000年代
推出ANSYS Workbench，实 现多物理场耦合分析。
1970年代
ANSYS公司成立，开始开发有 限元分析（FEA）软件。
1990年代
扩展软件功能，增加流体动力 学、电磁场等分析模块。
2010年代
持续更新和优化，加强与CAD 软件的集成，提高计算效率和 精度。
软件应用领域
航空航天
2023
PART 07
后处理与可视化
REPORTING
结果查看与图表生成
结果查看
通过后处理，用户可以查看分析结果，如应力、应变、位移等。
图表生成
根据分析结果，可以生成各种类型的图表，如柱状图、曲线图、等值线图等，以便更直观地展示结果 。
可视化技术
云图显示
通过云图显示，可以清晰地展示模型 的应力、应变分布情况。
压力载荷等。
在设置边界条件和载荷 时，需要考虑实际工况 和模型简化情况，确保 分析的准确性和可靠性
。
求解和后处理
求解是ANSYS分析的核心步骤，通过求解可以得到模型在给定边界条件和 载荷下的响应。
ANSYS提供了多种求解器，如稀疏矩阵求解器、共轭梯度求解器等，可以 根据需要进行选择。
后处理是分析完成后对结果的查看和处理，ANSYS提供了丰富的后处理功 能，如云图显示、动画显示等。
VS
详细描述
非线性分析需要使用更复杂的模型和算法 ，以模拟结构的非线性行为。通过非线性 分析，可以更准确地预测结构的极限载荷 和失效模式，对于评估结构的可靠性和安 全性非常重要。
2023
PART 04
流体动力学分析
REPORTING
流体静力学分析
静力学分析用于研究流体在静 止或准静止状态下的压力、应
ANSYS分析指南精华：耦合场分析
第四章耦合场分析耦合场分析的定义耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。
例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。
其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。
耦合场分析的类型耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。
序贯耦合解法序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。
它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场1的耦合的。
例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。
直接耦合解法直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。
在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。
例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。
何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。
例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。
而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。
这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。
直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。
直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁2场耦合分析。
求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。
3。
ANSYS多物理耦合场有限元分析PPT课件
注: 如果没有指定 初始温度，初始 DOF数值为0。
ANSYS热分析
均匀初始温度
如果整个模型的初始温度为均匀且非0，使用下列菜单指定:
2
3 4
1
. <<结构分析中的有限单元法>>
ANSYS热分析
非均匀的初始温度
如果模型的初始温度分布已知但不均匀，使用这些菜单 将初始条件施加在特定节点上:
3
4. 用图形选取或输入点号的方法
• 将其应用到一个微元体上，就可以得到 热传导的控制微分方程。
. <<结构分析中的有限单元法>>
ANSYS热分析
热分析有限元模型
• 单元类型
• 下表显示通常使用的热单元类型。
• 节点自由度是：TEMP。
常用的热单元类型
2-D Solid 3-D Solid 3-D Shell Line Elements
ANSYS热分析
热载荷和边界条件的类型
• 温度
– 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。
• 均匀温度
– 可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一 个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用 于估计随温度变化材料特性的初值。
• 热流率
– 是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加 在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施加该 载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。
• 实常数
– 主要用于壳和线单元。
. <<结构分析中的有限单元法>>
ANSYS热分析
稳态热传递
• 如果热量流动不随时间变化的话，热传 递就称为是稳态的。
ansys仿真分析PPT课件
4、局部结构：将工程中的较大零件的某个集中受力的 局部划分出来进行分析
5、对称性的利用。
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
结构类型所对应的几何模型形式
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
对称性利用的注意事项
1、如果对称面上有作用的载荷，则对称分析时取载
荷的1/2
2、若对称面上存在板或者梁，则离散板和梁的单元
1、离散误差
2、边界误差
3、单元形状误差
计算误差
1、舍入误差
2、截断误差
截断误差除与计算方式有关外，还与模型的大小有关
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
误差的解决
提高单元的阶次 增加单元数量 划分规则的单元形状 建立与实际工况相符的边界条件 减小模型的大小 注意：当单元数和节点数增高时计算的累计误差也会增加，
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
分析类型
线性与非线性分析的区别 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。典型的特
征是： 小变形 弹性范围内的应变和应力 没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变。
应力
弹性模量 (EX)
应变
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
分析类型
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
网格控制
总体单元尺寸 您可以为整个模型指定最大的单元边长 (或
每条线的份数):
ESIZE,SIZE 或 Preprocessor > MeshTool > “Size
Controls - Global” [Set] 或 Preprocessor > -Meshing- Size Cntrls
5、对称性的利用。
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结构类型所对应的几何模型形式
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对称性利用的注意事项
1、如果对称面上有作用的载荷，则对称分析时取载
荷的1/2
2、若对称面上存在板或者梁，则离散板和梁的单元
1、离散误差
2、边界误差
3、单元形状误差
计算误差
1、舍入误差
2、截断误差
截断误差除与计算方式有关外，还与模型的大小有关
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误差的解决
提高单元的阶次 增加单元数量 划分规则的单元形状 建立与实际工况相符的边界条件 减小模型的大小 注意：当单元数和节点数增高时计算的累计误差也会增加，
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分析类型
线性与非线性分析的区别 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。典型的特
征是： 小变形 弹性范围内的应变和应力 没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变。
应力
弹性模量 (EX)
应变
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分析类型
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
网格控制
总体单元尺寸 您可以为整个模型指定最大的单元边长 (或
每条线的份数):
ESIZE,SIZE 或 Preprocessor > MeshTool > “Size
Controls - Global” [Set] 或 Preprocessor > -Meshing- Size Cntrls
多场耦合(共188张PPT)
大坝突然溃决，当时库水位为 100.12m。洪水出峡谷后流 速仍达 20km/h，下游 12km处 Frejus 城镇部分被毁，死 亡 421 人，财产损失达 300 亿法郎。
导致如此重要的灾害主要由忽略裂隙岩体渗流及水 力耦合问题。
3
第三页，共188页。
法国Malpasset 拱坝主要地质结构图
第四页，共188页。
1、坝基为片麻岩，
片理倾角在30°-50°之
间，倾向下游
偏右岸。较大的片 理中部充填糜棱岩。 2、坝址范围内有两条
主要断层。一条为近
东西向的F1 断层， 倾角45°， 倾向上 游。断层带内充填 含粘土的角砾岩， 宽度80cm。另一条 为近南北向的F2 , 倾 向左岸，倾角70°80°
岩体力学的发展
• 1、 首先，20世纪50年代以Muller为代表的奥地利学派提出
了结构面对岩石力学特性和岩体稳定性起控制作用的思想，其后 以谷德振为代表的中国学者提出了岩体结构新概念及岩体结 构控制岩体稳定性的观点，并逐步形成了以“结构面和岩体 结构”为核心的岩体工程地质力学理论；
13
第十三页，共188页。
般未受工程作用的岩体而言的；
• “深部岩体”:则相对于一般浅表岩体，强调的是岩体赋
存的深部物理地质环境以及这一环境中特殊的岩体力学性质。
29
第二十九页，共188页。
复杂岩体概念的总结
• 一、是指具有复杂地质特征并赋存于复杂地质环境中的岩体；
• 二、是指具有复杂力学特性(变形、强度、渗流)的岩体； • 三、是指具有复杂工程性质的岩体，尤其指在复杂条件
在力学特性上:
•
岩体是不连续(discontinuous)、非均匀 (inhomogeneous)、
导致如此重要的灾害主要由忽略裂隙岩体渗流及水 力耦合问题。
3
第三页，共188页。
法国Malpasset 拱坝主要地质结构图
第四页，共188页。
1、坝基为片麻岩，
片理倾角在30°-50°之
间，倾向下游
偏右岸。较大的片 理中部充填糜棱岩。 2、坝址范围内有两条
主要断层。一条为近
东西向的F1 断层， 倾角45°， 倾向上 游。断层带内充填 含粘土的角砾岩， 宽度80cm。另一条 为近南北向的F2 , 倾 向左岸，倾角70°80°
岩体力学的发展
• 1、 首先，20世纪50年代以Muller为代表的奥地利学派提出
了结构面对岩石力学特性和岩体稳定性起控制作用的思想，其后 以谷德振为代表的中国学者提出了岩体结构新概念及岩体结 构控制岩体稳定性的观点，并逐步形成了以“结构面和岩体 结构”为核心的岩体工程地质力学理论；
13
第十三页，共188页。
般未受工程作用的岩体而言的；
• “深部岩体”:则相对于一般浅表岩体，强调的是岩体赋
存的深部物理地质环境以及这一环境中特殊的岩体力学性质。
29
第二十九页，共188页。
复杂岩体概念的总结
• 一、是指具有复杂地质特征并赋存于复杂地质环境中的岩体；
• 二、是指具有复杂力学特性(变形、强度、渗流)的岩体； • 三、是指具有复杂工程性质的岩体，尤其指在复杂条件
在力学特性上:
•
岩体是不连续(discontinuous)、非均匀 (inhomogeneous)、
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• 在椭球区域或变形区域, 液滴或空泡以螺旋形路径上升
20 © 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
Drag Coefficient
• 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:
FD
1 2
CD
rf
Ap
Ur
Ur
Ur Uf - Up
Ap
d
2 p
4
• 通常来说, 拽力系数减少粒子雷诺数(particle Reynolds number):
Rep
rf
Ur
f
dp
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.
21 © 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
Interphase Mass Transfer
空泡.
18 © 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
Distorted Droplets and Bubbles
• Small bubbles - spherical • Larger bubbles - ellipsoidal
• As bubble size increases, spherical caps may be formed
• Environment – Fog – Rain – Erosion – Emission
• Biomedical – Blood flows – Eyes – Lungs
Release 14.0
Examples of Multiphase Flows
• Horizontal Bubble Reactor (Bubbly Flow)
8
© 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
Continuous-Dispersed Multiphase
•一相是离散粒子(discrete particles), 液滴(droplets), 或空泡(bubbles)散 布在连续相中 • 例如:
–雨: air + water (droplet flow) –软饮料: Liquid + bubbles (bubbly flow) –泥浆: Water + sand (particulate flow) –含尘空气: (particulate flow) –一液体里含有不能融合的另一种液滴, 如. 醋里的油滴.
12 © 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
多相流中的物理问题
• 相关物理现象 • 浮力(Buoyancy) • 相间拽力(Interphase drag) • 相间质量传输(Interphase mass transfer) • 表面张力(Surface tension) • 粒子-粒子相互作用(Particle-particle interactions) • 破碎和聚结(Breakup and coalescence) • 相间面积的模化(Modeling interfacial area)
June 22, 2020
Release 14.0
Multiphase Applications
• Chemical and Process Industry – Gas cleaning – Fluidized bed reactors – Bubble columns – Polymer production – Mixers – Dryers
(annular flow). • 模拟对不同区域(regimes)相间相互
作用的方法, (drag laws, interfacial area, etc.) 可能大不相同 • 模型的选择, 经验很重要!
Gas-Liquid Flow in a Vertical Pipe
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• The drag relationships are very different for the different bubble shapes!
19 © 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
Motion of Distorted Bubbles
• 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.
14 © 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
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.
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June 22, 2020
Release 14.0
Modeling Approaches
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Eulerian dispersed phase具有单一直径的特征. 用标准的欧拉方法模拟三种不同
•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 (bubble columns)和流化床(fluidized beds).
9
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June 22, 2020
Lecture 6 ANSYS CFD Multiphase
Introduction to ANSYD CFD
1
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June 22, 2020
Release 14.0
Multiphase in ANSYS CFX
Introduction to ANSYD CFD
2
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6
© 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
Examples of Multiphase Flows • Injection and Breakup of Liquid Droplets from a Nozzle
7
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Release 14.0
Free Surface Flows
• 例子
– 两个连续相 – 浇模(Mold filling) – 溃坝(Dam break) – 注油(Filling of a gasoline tank) – 液面晃动(Sloshing of a surface in a container) – 明渠流动(Open flow in a channel) – 处理方法:homogeneous , 相和相之间分享同样
June 22, 2020
Release 14.0
Modeling Buoyancy in ANSYS CFX
• 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’ where p’ = 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.
的速度和场变量(volume fraction除外）
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Different Multiphase Flow Regimes
• 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 (slug flow, 又名活塞流 ), 到环状流
16 © 2011 ANSYS, Inc.
June 22, 2020
Release 14.0
Interphase Drag
• 类似于苏打饮料瓶内气泡在流体内的上升:
• 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.
• 为了求解两相的动量方程, 需要对相间的拽力进行表达.
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Interphase Drag
• 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
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Multiphase Flows
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Release 14.0
Drag Coefficient
• 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:
FD
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CD
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Ap
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Ur Uf - Up
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• 通常来说, 拽力系数减少粒子雷诺数(particle Reynolds number):
Rep
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Ur
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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.
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Interphase Mass Transfer
空泡.
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Distorted Droplets and Bubbles
• Small bubbles - spherical • Larger bubbles - ellipsoidal
• As bubble size increases, spherical caps may be formed
• Environment – Fog – Rain – Erosion – Emission
• Biomedical – Blood flows – Eyes – Lungs
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Examples of Multiphase Flows
• Horizontal Bubble Reactor (Bubbly Flow)
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June 22, 2020
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Continuous-Dispersed Multiphase
•一相是离散粒子(discrete particles), 液滴(droplets), 或空泡(bubbles)散 布在连续相中 • 例如:
–雨: air + water (droplet flow) –软饮料: Liquid + bubbles (bubbly flow) –泥浆: Water + sand (particulate flow) –含尘空气: (particulate flow) –一液体里含有不能融合的另一种液滴, 如. 醋里的油滴.
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多相流中的物理问题
• 相关物理现象 • 浮力(Buoyancy) • 相间拽力(Interphase drag) • 相间质量传输(Interphase mass transfer) • 表面张力(Surface tension) • 粒子-粒子相互作用(Particle-particle interactions) • 破碎和聚结(Breakup and coalescence) • 相间面积的模化(Modeling interfacial area)
June 22, 2020
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Multiphase Applications
• Chemical and Process Industry – Gas cleaning – Fluidized bed reactors – Bubble columns – Polymer production – Mixers – Dryers
(annular flow). • 模拟对不同区域(regimes)相间相互
作用的方法, (drag laws, interfacial area, etc.) 可能大不相同 • 模型的选择, 经验很重要!
Gas-Liquid Flow in a Vertical Pipe
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• The drag relationships are very different for the different bubble shapes!
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Motion of Distorted Bubbles
• 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.
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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.
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Modeling Approaches
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Eulerian dispersed phase具有单一直径的特征. 用标准的欧拉方法模拟三种不同
•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 (bubble columns)和流化床(fluidized beds).
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Lecture 6 ANSYS CFD Multiphase
Introduction to ANSYD CFD
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Multiphase in ANSYS CFX
Introduction to ANSYD CFD
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Examples of Multiphase Flows • Injection and Breakup of Liquid Droplets from a Nozzle
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Free Surface Flows
• 例子
– 两个连续相 – 浇模(Mold filling) – 溃坝(Dam break) – 注油(Filling of a gasoline tank) – 液面晃动(Sloshing of a surface in a container) – 明渠流动(Open flow in a channel) – 处理方法:homogeneous , 相和相之间分享同样
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Modeling Buoyancy in ANSYS CFX
• 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’ where p’ = 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.
的速度和场变量(volume fraction除外）
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Different Multiphase Flow Regimes
• 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 (slug flow, 又名活塞流 ), 到环状流
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Interphase Drag
• 类似于苏打饮料瓶内气泡在流体内的上升:
• 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.
• 为了求解两相的动量方程, 需要对相间的拽力进行表达.
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Interphase Drag
• 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
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Multiphase Flows