多相流模型数值模拟(中文)

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– 欧拉显式
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Байду номын сангаасui
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Actual interface shape
Geo-reconstruct (piecewise linear) Scheme
– 欧拉隐式
• 定常和非定常都使用相同的求解器，在差的网格 单元上有固定的数值差分方法 –使用高阶VOF离 散(HRIC, CICSAM)
Stokes数
• 系统载入媒介粒子时， 根据Stokes数选择合适的模型。
– Stokes数(St)是粒子(分散内相)时间松弛系数(τd)和流动特征 时间比例(τc)的比值。
St =
2 ρd d d 其中 . τ d = 18 μ c
τd τc
，τ c =
D U
– D 和 U 是问题中的特征长度和速度标量。 – 如果 St << 1, 粒子流动将会跟随流场流动。 – 如果 St > 1, 粒子流动独立于流场流动。
• 几种有效的子模型方法:
– 散布相的加热/冷却 – – – – 流体液滴的汽化和蒸发 燃烧粒子的挥发演变和燃烧 喷雾模型中液滴的分裂和融合 腐蚀/衍生
DPM模型的适用条件
• 流域: • 填充体积: • 填充粒子: • 建立湍流模型: • Stokes数: • 案例
– – – – – – 气旋 喷雾干燥器 粒子的分离和分类 浮质散布 液体燃料 媒的燃烧
Primary Phase
选择多相流模型
• 为能选择合理的模型，用户需要推理得到下列 形式的一些流动参数:
– 流动域
• 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成正比)
– 多相湍流模型 – 在颗粒流动中，可以估计出
• 颗粒体积填充量 • Stokes数
多相流的各种形式
– 界面间的物质传递和相对速度有关，这个代数关系建立在St << 1 的情况下。这也就表示分离的相不能使用混合模型来建 立。 – 如果需要，混合模型中同样也能纳入湍流和能量方程。
• 为每个混合相解算相应的体积率输运方程。 • 对气穴现象非常有效的子模型 (详细请参见附录).
混合模型适用条件
• • • • • 流域: 体积载荷: 粒子载荷: 湍流模型: Stokes数: 气泡, 液滴和 泥浆流 分散适当密度 弱到中等 相之间的弱作用 St << 1
Liquid / Solid
Sedimentation
Fluidized Bed
填充体积和微粒
• 填充体积 – 分散型或者密集型
– 这个和混合相（ secondary phase）的体积分数有关
Volume Fraction = α = Volume of the phase in a cell/domain Volume of the cell/domain
z = 20 cm
z = 15 cm
z = 10 cm
z = 5 cm
Iso-Surface of Gas Volume Fraction = 0.175
Liquid Velocity Vectors
Introductory FLUENT Notes FLUENT v6.3 December 2006
Gas/Liquid Liquid/Liquid
Slug Flow
Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow
Gas / Solid
Stratified / FreeSurface Flow
Pneumatic Transport, Hydrotransport, or Slurry Flow
Vcell
多相流中的湍流模型
• 多相流中的湍流模型非常具有挑战性。 • 如今，单相湍流模型（例如k–ε 和 RSM ）只 是用在基础相的湍流模型计算中。 • 考虑到混合相，湍流方程需要更多的项来建立 湍流模型。 • 如果相离散而且密度比例为1，或者颗粒分布 是分散性 ，混合物质便可以用单相模型来表达。 • 其它情况时，可能依然使用单相模型，或者使 用“粒子成分修正”模型。
– 分散型 (< 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。

密集型 – 散布率和连续相惯量
Vprimary
α part ρ part α cont ρcont
⎧<< 1, one way coupling =⎨ ⎩≅ 1, two way coupling
Vsecondary
分界面插值方法
• • 在FLUENT中，为了获得表面流量，标准的插 值方法假设每个单元只有一种相。 方法如下:
– 几何重建
• 默认的方法，只能应用与非定常流，不考虑数值 差分，要求很高的网格质量 • 只能应用与非定常流，在差的网格单元上有固定 的数值差分方法 – 使用高阶VOF离散（high order VOF discretization） (HRIC, CICSAM)
欧拉模型案例 – 循环流动层
Contours of Solid Volume Fraction
混合模型
Courtesy of Fuller Company
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 度大小相等，方向相同)。 • 解算混合动量方程（平均质量混合速度）和得出描述 散布相的相对速度。
0.2 mm
Contours of Evaporated Water
Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
欧拉多相模型
欧拉多相模型
• 欧拉多相模型是一种平均N-S方程，可以计算任意粒子 和连续相物质。 • 结果是每相守恒方程的集合 (连续相 + N种粒子媒介)。 • 两相同时共存: 每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯 度，导热率等）＋分界面项。 • 分界面项包括动量（升力），热量和质量交换。这些 方程很难收相交，因为都是些非线性的比例项，机械 上的（相间的速度差分），热上的（温度差分）。 • 加上模型多种多样（湍流模型等）。
•
液体由原相（primary）和次相的混合相 （secondary）组成
– 原相(primary)可以认为是连续介质 – 次相 (secondary) 认为是分散在 原相中 – 可能有很多混合相以不同的大小分布 在不同的位置
•
相反, 多组分流（成分输运）是一种可以用单一的速度和温度来定 义所有成分的流动。
欧拉模型的适用条件
• 流域 • 填充体积 • 填充粒子 • 湍流模型 • Stokes数 • 案例
– – – – – – – 高浓度粒子载流 泥浆流 沉淀 水力运输 流动层 冒口 填充层反应堆
气泡流, 液滴流, 泥浆流, 流动层, 粒子流 稀释密度 低浓度到高浓度 相间的弱结合和强结合 所有
欧拉模型案例 – 三维气泡柱
多相流 模型 数值模拟 计算 例子
以 Ｆｌｕｅｎｔ 为例；
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 （例如：液体－液体，油－水）
Secondary Phase
VOF模型案例 – 晃动的汽车油箱
Notes
•
•
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）。 通过仿真手段，我们 t = 1.05 sec 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。
– 气泡流－连续液体介质中的离散气 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 – 活塞流－大的气泡在连续液体中 – 层流/自由表面流－不能混合的流体有 清晰的分离面，例如：自由表面流 – 粒子流－连续液体中的固体颗粒，例 如 ：旋转分离器，空气清新器，吸尘 器，尘埃环境流 – 流动层－流动层反应堆 – 泥浆流 – 液体中的质点流，固体悬浮 液，沉淀，和水力输运
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VOF模型的适用性
• 流域 • 体积载荷 • 粒子载荷 • 湍流模型 • Stokes数 • 案例
– – – – – 大型活塞流动 倒水（ Filling ） 波浪（ Offshore separator sloshing ） 沸腾（ Boiling ） 涂层（ Coating ）
活塞流，层流/自由表面流 分散型和密集型 弱到强 相之间的弱作用到中等作用 所有
Air and methane inlets
•
Centerline for particle injections Outlet Path Lines Indicating the Gas Flow Field
喷雾干燥器仿真 (2)
Initial particle Diameter: 2 mm
1.1 mm
气泡流, 液滴流, 粒子流 必须是分散型 (体积率 < 12%) 少量到适中 相之间的弱结合和强结合 所有 Stokes数
DPM 案例 – 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。
混合物质相
• 在 FLUENT中所有的混合模型，任何相都可以 看成是由一种材料或者由混合物质组成。 • 混合相的材料定义和单相流中的定义一样。 • 可以建立不同类的反应 (属于不同相中反应物 和产物间的反应).