12多相流模型-fluent_multiphase
FLUENT 多相流模型中文版资料
沈阳航空工业学院
(2) 混合模型
混合模型的相可以是流体或颗粒，并被看作互相穿插的连续统一体。混合模型求解 混合物动量方程，以设定的相对速度描述弥散相。适用混合模型的应用包括低载粉率的 带粉气流、含气泡流、沉降过程和旋风分离器等。混合模型还可以用于模拟无相对速度 的匀质弥散多相流。
(3) Euler 模型
。
当St 1时，颗粒将紧密跟随连续相，可以使用 DPM 模型、混合模型或 Euler 模型
三者中任何一种；当St 1 时，颗粒的运动将独立于连续相，可以 DPM 模型或 Euler 模 型；当 St 1，则又可以采用三种中的任何一种。具体采用何种模型还要考虑相体积分
数和计算量的大小。
航空发动机轴心通风器油 / 气两相流动中，滑油呈微小油滴，平均直径约数十μm， 局部油滴颗粒含量率最大约 10−4，体积分数最大不超过 10−7，典型情况下St数约 0.01。
入流边界的情况下，稳态的 VOF 计算才是有意义的。例如，旋转杯中自由表面的形状 取决于液体的初始的水平高度，这样的问题必须用瞬态格式求解。而另一个例子是水渠 中的水流，在其上方有空气，且空气有独立的入口，可以用稳态格式求解。
应用 VOF 模型的限制条件： 必须使用基于压力求解器。VOF 模型不能使用基于密度求解器。 所有控制容积必须充满一种流体相或多相的组合。VOF 模型不允许没有流体的空
(5.380)
式中， κ
β γ
αd αc
。不太高的分散相体积分数情况下分散相颗粒间平均距离较大，可以
忽略分散相颗粒压力和粘性应力，因而可以采用 DPM 模型。
可以用 Stokes 数 St 度量颗粒的动量非平衡程度。St 数定义为颗粒响应时间与系统响
应时间之比：
FLUENT多相流模型
FLUENT多相流模型分类1、气液或液液流动气泡流动：连续流体中存在离散的气泡或液泡液滴流动：连续相为气相，其它相为液滴栓塞（泡状）流动：在连续流体中存在尺寸较大的气泡分层自由流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。
2、气固两相流动粒子负载流动：连续气体流动中有离散的固体粒子气力输运：流动模式依赖，如固体载荷、雷诺数和例子属性等。
最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床以及各相同性流流化床：有一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器进入筒内，从床底不断冲入的气体使得颗粒得以悬浮。
3、液固两相流动泥浆流：流体中的大量颗粒流动。
颗粒的sto kes数通常小于1。
大于1是成为流化了的液固流动。
水力运输：在连续流体中密布着固体颗粒沉降运动：在有一定高度的盛有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质，随后，流体会出现分层。
4、三相流以上各种情况的组合多相流动系统的实例气泡流：抽吸、通风、空气泵、气穴、蒸发、浮选、洗刷。
液滴流：抽吸、喷雾、燃烧室、低温泵、干燥机、蒸发、气冷、洗刷。
栓塞流：管道或容器中有大尺度气泡的流动分层流：分离器中的晃动、核反应装置沸腾和冷凝粒子负载流：旋风分离器、空气分类器、洗尘器、环境尘埃流动气力输运：水泥、谷粒和金属粉末的输运流化床：流化床反应器、循环流化床泥浆流：泥浆输运、矿物处理水力输运：矿物处理、生物医学、物理化学中的流体系统沉降流动：矿物处理。
多相流模型的选择原则1、基本原则1)对于体积分数小于10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用离散相模型。
2)对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超出10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用混合模型或欧拉模型。
3)对于栓塞流、泡状流，采用VOF模型4)对于分层/自由面流动，采用VOF模型5)对于气动输运，均匀流动采用混合模型，粒子流采用欧拉模型。
FLUENTMultiphase多相模型
FLUENTMultiphase多相模型1 名词解释学习FLUENT UDF编程，必须要从网格拓扑和数据结构（几何数据、求解数据存储的空间）两方面来理解一些重要概念。
节点node；面face；单元cell。
线 thread：⑴线是一块存储空间，有节点线、面线和单元线三类，存储了存在某种联系的节点组、面组或单元组的信息。
⑵定义线的指针 Thread *t;⑶线对应的是网格拓扑里面的zone,例如某边界就是一个zone,显然它对应的存储空间是面线。
⑷在多相模型中，还要区分超级线superthread和子线subthread。
域 domain：⑴域是比线更大的存储空间，包含了存在某种联系的所有线。
⑵定义域的指针 Domain *d;⑶域对应的是网格拓扑里面的domain, 由网格定义的所有节点、面和单元线索的组合。
⑷在多相模型中，还要区分超级线superdomain和子线subdomain。
总的逻辑关系是，域->线->节点/面/单元，这可以从常用的循环中看出：Domain *domain;Thread *c_thread;cell_t c; /*cell_t 是线索（thread）内单元标识符的*/thread_loop_c(c_thread, domain) /*对域内所有单元线做loop*/{begin_c_loop(c, c_thread) /* 对线内所有单元做循环 */{……}end_c_loop(c, c_thread)}2 Multiphase-specific Data Types 多相专用数据类型除了在Data Types in ANSYS FLUENT中呈献的ANSYS FLUENT 专用的数据类型，还有一些专用于多相UDF的线（thread）和域（domain）数据结构。
当使用多相模型时(Mixture, VOF, or Eulerian)，这些数据结构用来存储混合相（mixture of all of the phases）和每个单独相的属性和变量。
Fluent 多相流
Primary and secondary phases
One of the phases is considered continuous (primary) and others (secondary) are considered to be dispersed within the continuous phase.
2
© Fluent Inc. 7/13/2013
Fluent Software Training TRN-98-006
Definitions
Multiphase flow is simultaneous flow of
Matters with different phases( i.e. gas, liquid or solid). Matters with different chemical substances but with the same phase (i.e. liquid-liquid like oil-water).
Multiphase Models
Four models for multiphase flows currently available in structured
FLUENT 4.5 Lagrangian dispersed phase model (DPM) Eulerian Eulerian model Eulerian Granular model Volume of fluid (VOF) model
Unstructured FLUENT 5 Lagrangian dispersed phase model (DPM) Volume of fluid model (VOF) Algebraic Slip Mixture Model (ASMM) Cavitation Model
fluent多相流模型
fluent多相流模型
Fluent多相流模型是一种广泛应用于多相流模拟的数值求解方法。
这种模型可以模拟具有液体、气体和固体三种组分的多相流动系统，使得流动特性得到更为详尽的描述。
它基于控制单元格（Control Volume），采用有限体积方法（FVM），从而可以计算流体与固体界面的相互作用，以及流体与流体之间的相互作用。
Fluent多相流模型还能够模拟不断变化的流体和悬浮物的运动，能够模拟可燃物燃烧过程，以及其他更为复杂的流动现象。
Fluent多相流模型应用于机械、电子、自动化及工程等方面，其计算精度也属于较高的等级。
Fluent多相流模型通过对流体及悬浮物的实时求解，用以分析多相流动系统中物理和化学现象的发展，从而实现对模型的预测和优化。
它可以求解传热、传质、流体动力和边界层等多相流动系统的最优状态，以及求解各种流体的流动速度、粘度、温度和压力等。
Fluent多相流模型的关键特性在于它可以模拟多相流动系统中不同物理过程的相互作用，从而使得结果非常接近实际应用情况。
Fluent多相流模型选择与设定
1.多相流动模式我们可以根据下面的原则对多相流分成四类：•气-液或者液-液两相流：o 气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。
o 液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。
o 活塞流动: 在连续流体中的大的气泡o 分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。
•气-固两相流：o 充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。
o 气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因素。
最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。
o 流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入筒内。
从床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。
改变气体的流量，就会有气泡不断的出现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。
•液-固两相流o 泥浆流：流体中的颗粒输运。
液-固两相流的基本特征不同于液体中固体颗粒的流动。
在泥浆流中，Stokes 数通常小于1。
当Stokes数大于1 时，流动成为流化（fluidization）了的液-固流动。
o 水力运输: 在连续流体中密布着固体颗粒o 沉降运动: 在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质。
随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不断沉降并堆积形成了淤积层，在顶部出现了澄清层，里面没有颗粒物质，在中间则是沉降层，那里的粒子仍然在沉降。
在澄清层和沉降层中间，是一个清晰可辨的交界面。
•三相流(上面各种情况的组合)各流动模式对应的例子如下：•气泡流例子：抽吸，通风，空气泵，气穴，蒸发，浮选，洗刷•液滴流例子：抽吸，喷雾，燃烧室，低温泵，干燥机，蒸发，气冷，刷洗•活塞流例子：管道或容器内有大尺度气泡的流动•分层自由面流动例子：分离器中的晃动，核反应装置中的沸腾和冷凝•粒子负载流动例子：旋风分离器，空气分类器，洗尘器，环境尘埃流动•风力输运例子：水泥、谷粒和金属粉末的输运•流化床例子：流化床反应器，循环流化床•泥浆流例子: 泥浆输运，矿物处理•水力输运例子：矿物处理，生物医学及物理化学中的流体系统•沉降例子：矿物处理2. 多相流模型FLUENT中描述两相流的两种方法:欧拉一欧拉法和欧拉一拉格朗日法，后面分别简称欧拉法和拉格朗日法。
多相流(multiphaseflows)fluent教程
Choosing a Multiphase Model
In order to select the appropriate model, users must know a priori the characteristics of the flow in terms of the following:
Turbulence Modeling in Multiphase Flows
Turbulence modeling with multiphase flows is challenging. Presently, single-phase turbulence models (such as k– or RSM) are used to model turbulence in the primary phase only. Turbulence equations may contain additional terms to account for turbulence modification by secondary phase(s). If phases are separated and the density ratio is of order 1 or if the particle volume fraction is low (< 10%), then a single-phase model can be used to represent the mixture. In other cases, either single phase models are still used or “particlepresence-modified” models are used.
One of the phases is considered continuous (primary) The others (secondary) are considered to be dispersed within the continuous phase. There may be several secondary phase denoting particles with different sizes
fluentmultiphase多相流剖析
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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
Gas/Liquid
，例如 ： 喷雾器，燃烧室
Liquid/Liquid 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
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
Primary Phase
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。
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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
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简介
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 Secondary
（液相－液相，例如：油－水）
Phase
流体体统包括基础相（primary）和若干从属相
（secondary）组成
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欧拉多相模型
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FLUENT中的多相流模型
适合颗粒流的模型
z z z
Define
Models
Multiphase…
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
z
VOF模型
Define
Phases…
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欧拉模型案例 – 三维气泡柱
z = 20 cm
z = 15 cm
z = 10 cm
z = 5 cm
Iso-Surface of Gas Volume Fraction = 0.175
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Liquid Velocity Vectors
简 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:
z
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）
Secondary Phase
流体体统包括基础相（primary）和若干从属相 （secondary）组成
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欧拉模型的适用条件
流态： 体积载荷： 颗粒载荷： 湍流模型： Stokes数 ： 应用举例
z z z z z z z
气泡流, 液滴流, 泥浆流, 流化床, 粒子流 稀疏－稠密 低到高 相间的耦合从弱到强 所有
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喷雾干燥器仿真 (2)
Initial particle Diameter: 2 mm
1.1 mm
0.2 mm
Contours of Evaporated Water
Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
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离散相模型 (DPM)
拉格朗日计算方法下粒子/液滴/气泡的轨迹
z z z z
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。
Air and methane inlets
Centerline for particle injections Outlet Path Lines Indicating the Gas Flow Field
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Liquid / Solid
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Sedimentation
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Fluidized Bed
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颗粒体积含量 Stokes数
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多相流的各种形式
DPM模型的适用条件
流态: 体积载荷: 粒子载荷: 湍流模型: Stokes数: 应用举例
z z z z z
气泡流, 液滴流, 粒子流 必须是稀疏型 (体积率 < 12%) 少量到适中 相间的耦合从弱到强 所有 Stokes数
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
多相流模型
Introductory FLUENT Training
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这意味着异相反应将导致相间的质量传输
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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:
z
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)
z z
多相湍流模型 在颗粒流动中，以下值需要估算
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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）。
z z
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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)。
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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。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
Vcell
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Stokes数
流体系统中有颗粒时，根据Stokes数选择合适的模型
Slug Flow Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow
z
Gas/Liquid Liquid/Liquid
z z
z
Gas / Solid
z
Stratified / FreeSurface Flow
Pneumatic Transport, Hydrotransport, or Slurry Flow
z
稀疏型 (< 10%)， 内部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。
颗粒载荷 – 离散相和连续相的惯性力 比率
Vprimary
Vsecondary
α part ρ part
α cont ρcont
⎧<< 1, one way coupling =⎨ ⎩≅ 1, two way coupling
z
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 泥浆流 – 流体中含有颗粒、固体悬浮 物、沉淀、水力输运
子模型
z z z z z
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
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