Fluent 多相流理论指南
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丨丨法，后面分别简称欧拉法和拉格朗日法。
fluent 多相流 设置 操作流程
fluent 多相流设置操作流程如果你想要在ANSYS Fluent中模拟多相流现象，那么你需要进行一系列的设置操作，以确保模拟得以顺利完成。
下面，我们将分享这些设置操作的流程及步骤。
1. 边界条件设置首先，在进行多相流模拟前，你需要准确地划分出相应的边界条件。
这包括定义每个物理区域（例如，更具粘度变化的液相和气相），设置模型计算的初始值，以及对每个物理区域进行必要的粗糙处理等。
2. 网格划分和网格质量检测Fluent是一个非常强大的数值计算工具，使用该工具需要先将三维空间分割成无数的小体素，以形成网格。
通过网格划分，我们可以将需要进行数值仿真的物体划分成小块，从而使我们能够更好地研究物体的工作原理。
在进行网格划分时，你需要注意网格质量，以确保网格能够契合你所需要的物体形状。
此外，你还需要在网格上设置初值和边界条件。
3. 选择流体模型选择正确的流体模型是成功模拟多相流的关键。
目前，ANSYS Fluent支持多种流体模型，包括拉格朗日-欧拉耦合方法、欧拉方法等。
你需要根据自己的需要选择合适的流体模型。
4. 定义物质属性在进行多相流的模拟时，你还需要定义物质的属性，也就是不同区域的物质粗略参数。
该项工作很大程度上是根据实验数据和文献资料确定。
5. 设置模拟参数模拟参数的设置包括初始条件选择、物理参数的上下限选择等，你需要根据自己的需要在ANSYS Fluent中进行设置。
6. 进行模拟完成前面的所有步骤后，你就可以开始模拟了。
在模拟的过程中，你可能需要进行微调和调整，以确保模型能够尽可能地逼近真实物体的工作原理。
总的来说，在ANSYS Fluent中进行多相流的模拟虽然有很多细节需要注意，但只要你遵循正确的流程，就能够获得很好的仿真效果。
Fluent多相流模型选择及设定
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。
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
如何在fluent中设置多相流讲解
3 设置一般的多相流问题（Setting Up a General Multiphase Problem）3.1使用一般多相流模型的步骤（Steps for Using the General Multiphase Models）设置和求解一般多相流问题的步骤的要点如下，各个子部分详细的讲述在随后的章节中。
记住这里给出的仅是与一般多相流计算相关的步骤。
有关你使用的其它模型和相关的多相流模型的输入的详细信息，将在这些模型中合适的部分给出。
1)选中你想要使用的多相流模型（VOF, mixture, or Eulerian）并指定相数。
Define Models Multiphase...2)从材料库中复制描述每相的材料。
Define Materials...如果你使用的材料在库中没有，应创建一种新材料。
!!如果你的模型中含有微粒（granular）相，你必须在fluid materials category中为它创建新材料（not the solid materials category.）3)定义相，指定相间的相互作用（interaction）(例如，使用欧拉模型时的drag functions)Define Phases...4)(仅对欧拉模型)如果流动是紊流，定义多相紊流模型。
Define Models Viscous...5)如果体积力存在，turn on gravity and specify the gravitational acceleration.Define Operating Conditions...6)指定边界条件，包括第二相体积份额在流动边界和壁面上的接触角。
Define Boundary Conditions...7)设置模拟具体的解参数Solve Controls Solution...8)初始化解和为第二相设定初始体积份额。
Solve Initialize Patch...9)计算求解和检查结果*欧拉多相流模拟的附加指南（Additional Guidelines for Eulerian Multiphase Simulations）一旦你决定了欧拉多相流模型适合你的问题，你应当考虑求解你的多相流问题的需求计算能力。
在fluent中设置多相流
如何在fluent中设置多相流————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：3 设置一般的多相流问题（Setting Up a General Multiphase Problem）3.1使用一般多相流模型的步骤（Steps for Using the General Multiphase Models）设置和求解一般多相流问题的步骤的要点如下，各个子部分详细的讲述在随后的章节中。
记住这里给出的仅是与一般多相流计算相关的步骤。
有关你使用的其它模型和相关的多相流模型的输入的详细信息，将在这些模型中合适的部分给出。
1)选中你想要使用的多相流模型（VOF, mixture, or Eulerian）并指定相数。
Define Models Multiphase...2)从材料库中复制描述每相的材料。
Define Materials...如果你使用的材料在库中没有，应创建一种新材料。
!!如果你的模型中含有微粒（granular）相，你必须在fluid materials category中为它创建新材料（not the solid materials category.）3)定义相，指定相间的相互作用（interaction）(例如，使用欧拉模型时的drag functions)Define Phases...4)(仅对欧拉模型)如果流动是紊流，定义多相紊流模型。
Define Models Viscous...5)如果体积力存在，turn on gravity and specify the gravitational acceleration.Define Operating Conditions...6)指定边界条件，包括第二相体积份额在流动边界和壁面上的接触角。
Define Boundary Conditions...7)设置模拟具体的解参数Solve Controls Solution...8)初始化解和为第二相设定初始体积份额。
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
【多相流】fluent中如何选择多相流模型？（3）
【多相流】fluent中如何选择多相流模型？（3）“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海！”对于分层流和段塞流，模型比较表明VOF模型的选择很简单。
为其他类型的流动选择模型就不那么简单了。
作为一般准则，有一些参数可以帮助为这些其他流动确定适当的多相流模型:颗粒载荷β和斯托克斯数st(注意，在本讨论中“颗粒”一词是指颗粒、液滴或气泡)。
1 颗粒载荷的影响颗粒载荷对相的相互作用有很大的影响。
定义颗粒载荷为分散相(d)与载体相(c)的质量密度比:材料密度比为：气-固流动大于1000，液-固流动约为1，气-液流动小于0.001。
通过这些参数，可以估算出颗粒相各颗粒之间的平均距离，Crowe等人已经给出了这个距离的估计。
其中，，有关这些参数的信息对于确定应如何处理分散相是重要的。
例如，对于颗粒载荷为1的气-固流动，颗粒间距离约为8;因此，颗粒可以被视为孤立的(即非常低的颗粒载荷)。
根据颗粒载荷的不同，相间相互作用程度可分为以下三类:•对于非常低的载荷，两相之间的耦合是单向的(即流体通过阻力和湍流影响颗粒，而颗粒对流体没有影响)。
离散相模型、混合模型和欧拉模型都能正确地处理这类问题。
由于欧拉模型是计算量最大的，建议采用离散相或混合模型。
•对于中等载荷，耦合是双向的(即流体通过阻力和湍流影响颗粒相，而颗粒反过来通过平均动量和湍流的降低影响流体)。
离散相、混合和欧拉模型都适用于这种情况，但需要考虑其他因素，以决定哪种模型更合适。
下面是使用Stokes数作为指南的信息。
•对于高载荷，有双向耦合加上颗粒压力和颗粒引起的粘性应力(四向耦合)。
只有欧拉模型才能正确地处理这类问题。
2 斯托克斯数的意义具有中等颗粒载荷的系统，估计Stokes数的值可以帮助选择最合适的模型。
可以将Stokes数定义为粒子响应时间与系统响应时间的关系:其中，，是基于所研究系统的特征长度和特征速度，。
•当，粒子将紧密跟随流动，三种模型(离散相、混合相或欧拉)均适用;因此，可以选择最经济的(大多数情况下是混合模型)，或者考虑到其他因素，选择最合适的。
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多相流主要分为五类：气-液，液-液、气-固、液-固、三相流。
17.1.1.1. 气-液或液-液流
下面是不同气-液或液-液流动的分类： 气泡流：连续流体中存在分散的气泡或液滴。 液滴流：连续气体中存在分散的液滴。 段塞流：连续流体中存在较大的气泡。 分层流/自由表面流：不相容的流体混合且具有明显的相界面。
气力输运：水泥、谷物、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、生物医学及物理化学中的流体系统。
沉降：矿物处理。
17.2. 选择多相流模型
解决任何多相流问题的第一步，就是确定多相流模型。模型比较一节中提供了一些基本原则。具体指导原则一节 中给出了详细的方法：如何确定流动中（包含气泡、液滴、或颗粒）各相之间的耦合程度，以及不同耦合程度适 合的多相流模型。
如果求解问题简单，精度要求不高，使用Mixture模型更好，因为Mixture模型比欧拉模型需求解的方程数量 少。如果更在意准确性而非计算工作量，使用欧拉模型更好。然而，欧拉模型不如Mixture模型计算稳定。
ANSYS Fluent中的多相流模型和动网格兼容，关于动网格，可详见应用动网格的流动一节。关于ANSYS Fluent中 其他模型与多相流模型的兼容性，可参考用户指南中的附录A。
对高负载率，除了双向耦合，还有颗粒引起的颗粒压力和粘性应力，即四向耦合，此时只能使用双流体模 型。
17.2.2.1.2.Stokes数的影响
对于中等负载率的系统，需要估算Stokes数来选择最合适的模型。Stokes数定义为颗粒响应时间与系统响应时间 之比：
τd St =
ts
(4)
式中的τd
=
， ρd
17.2.1.1.3. 双流体模型
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11/5/2017
Fluent理论指南第十七章
双流体模型是ANSYS Fluent中最复杂的多相流模型。该模型中的每一相都具有一组动量方程和连续性方程。各相 之间通过压力和相间交换进行耦合，耦合的处理方式取决于流动中相的类型。比如颗粒流和非颗粒流的处理方式 就不同。对于颗粒流，是通过运动学理论获得相间的耦合特性。相间的动量交换也取决于流动中相的类型。ANSYS Fluent的用户可以通过自定义函数（UDF）个性化定制动量交换的计算方式。双流体模型的应用场合有：鼓泡床、 上浮、颗粒悬浮、以及流化床。
d
2 d
/(18μc
)
ts
=
Ls /Us。这里的ts 指得是基于所研究系统的特征长度Ls 和特征速度Us的比值。
当St ≪ 1.0的情况下，颗粒紧密跟随主流，离散相模型、Mixture模型、双流体模型都适用；用户可选择计算资源 消耗最小的模型（大多数情况下为Mixture模型），或者根据其他因素选择最合适的模型。当St > 1.0，颗粒运动 将独立于主流运动，需选择离散相模型或欧拉模型。当St ≈ 1.0，三种模型也可任选其中之一。用户可以根据计 算资源消耗的大小或者其他因素选择最合适的模型。
17.2.2.1.2.1.例子
某煤粉分离器的特征长度为1 m，特征速度为10m/s，当颗粒直径为30μ m时，Stokes数值为0.04 。而当颗粒直径为 300μm，Stokes数等于4 。显然后者不能使用Mixture模型。
某矿物处理系统的特征长度为0.2m，特征速度为2 m/s，当颗粒直径为300μm时，Stokes数等于0.005。这种情况 下，用户可以选择Mixture模型和双流体模型。由于这种情况下相体积分数太高而不能选择离散相模型（原因如 下）。
在欧拉方法中，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。各相的体积不能被其他相占有，因此引入‘体积分 数’的概念。其假定体积分数是空间和时间的连续函数，所有相的体积分数和等于1 。每一相都有各自的控制方 程，且所有相的这些方程形式相同。另外附加一些经验性的关系式来使这些方程封闭。
ANSYS Fluent提供了三种基于欧拉方法的多相流模型：VOF模型、Mixture模型、和双流体模型。
17.1. 介绍
很多在自然界和工程中遇到的流动是多相混合的流动。物理学中物质的‘相’指气相、液相、固相，而多相流 中‘相’的概念更加广义。在多相流中，‘相’不仅可以定义为不同类型的物质，也可定义为相同类型物质。比 如，某固相颗粒中，不同尺寸的固体颗粒也可视为不同的相。 本节分为以下两部分： 17.1.1. 多相流模式 17.1.2. 多相流例子
流化床: 由盛有颗粒的容器构成，气体从分布器进入容器，通过床底升起使颗粒悬浮。气泡的出现取决于气 体流率。气泡通过床底的升起可加强流化床内颗粒混合。
17.1.1.3.液-固流
以下是液-固流：
泥浆流: 在液体中输运颗粒的流动。液-固流的基本行为随固体颗粒属性相对于液体属性的不同而改变。在 泥浆流中，Stokes数一般小于1 。当Stokes数大于1 ，流动成为液固流态化；
根据计算的颗粒负载率，相间耦合程度可分为以下三类：
对于低负载率，相间耦合是单向的（即主流通过拖曳和湍流对颗粒运动产生影响，但是颗粒不影响主流）。 用离散相模型、Mixture模型、双流体模型都正确，但双流体模型工作量大，推荐使用前两种模型。
对中等负载率，相间耦合是双向的（即主流通过拖曳和湍流对颗粒运动产生，反过来颗粒通过减小平均动量 和湍流影响主流）。用离散相模型、Mixture模型、双流体模型都合适，但是用户还需要考虑其他因素来判 断哪种模型更合适。可用下面的Stokes数作为判断标准。
利用这些参数，可以估算颗粒相中颗粒与颗粒之间的平均距离。Crowe et al.给出的一种距离估算方法：
L dd
π 1+κ
1/3
=(
)
6
κ
(3)
式中κ = β/γ。这些参数信息对确定离散相处理方式十分重要。比如，对于颗粒负载率为1的气-固流，相间距离 L/dd 大约为8左右；因此颗粒可彼此视为孤立的（即非常低的负载率）。
17.2.1.1.1. VOF模型
VOF模型是一种网格固定的的表面跟踪技术。该模型用于观察两种及以上互不相融流体间的分界面。VOF模型中， 两种流体共用一组动量方程，计算域中各流体的体积分数在每个计算单元上被跟踪。VOF模型的应用场合有：分层 流、自由面流动、灌注、晃动，液体中大气泡的流动、水坝决堤时的水流、任意液-气的稳态或瞬态分界面问题。
水力运输: 连续液体中存在稠密的固体颗粒；
沉降: 初始状态下，一个较高的圆柱形容器内为均匀离散的颗粒液体混合物。随后在容器底部颗粒将会下沉 形成淤泥层，在顶部会出现清晰分界层，在中间存在恒定的沉淀区。
17.1.1.4.三相流
三相流是前面列出的几种流动模式组合
17.1.2. 多相流例子
下面列出多相流的一些具体例子： 气泡流：抽吸、通风、空气泵、气穴、蒸发、浮选、洗刷。
对于流化床，选择双流体模型中的颗粒流模型。
对于泥浆流和水力输运，选择Mixture模型或双流体模型。
对于沉降，选择双流体模型。
对于一般的、包含多种流动模式的复杂多相流，选择最感兴趣的流动特征，并针对该特征选择最适合的模 型。注意：选择的模型只对用户模拟流动的这部分特征有效。
如本节中讨论过的，VOF模型适用于分层/自由表面流动，Mixture模型和欧拉模型适用于相间混合或分离、或离散 相体积分数超过10%的流动（如果离散相体积分数小于等于10%，可用离散相模型。
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Fluent理论指南第十七章
液滴流：抽吸、喷雾、燃烧室、低温泵、干燥机、蒸发、气冷、洗刷。
活塞流：管道或容器内大气泡流动。
分层流/自由表面流：海上设备中的晃动、核反应堆中的沸腾和冷凝。
颗粒流：旋风分离器、空气分级器、吸尘器、充满灰尘的环境中流动。
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第17章：多相流
Fluent理论指南第十七章
翻译：刘芹芹 校对：李娇娇（北京计算科学研究中心）
本章讨论ANSYS Fluent的通用多相流模型。首先简单介绍多相流模型，离散相一章简要讨论拉格朗日离散相模 型，凝固和融化一章讨论凝固和融化模型。关于ANSYS Fluent中如何使用多相流模型的信息，可参见《ANSYS Fluent用户指南》中的多相流模拟部分。以下小节介绍多相流模型的各种理论知识： 17.1. 介绍 17.2. 选择多相流模型 17.3. VOF模型 17.4. Mixture模型 17.5. 欧拉模型 17.6. 湿蒸汽模型 17.7. 多相流中的质量传输 17.8. 多相流中的组分传输
本节分为以下四部分：
17.2.1. 多相流建模
17.2.2. 模型比较
17.2.3. 多相流的时间离散格式
17.2.4. 稳定性和收敛性
17.2.1. 多相流建模
计 朗算 日流 方体 法力 和学 欧的 拉发 方展 法为 ；进 （一 李步 东深 岳入 ：了 原解 文多 中相 为流 欧动 拉力-欧学拉提方供法了，基为础防。止目其前和多双相流流体的模数型值混计淆算，有此两处种译方为法欧：拉欧方拉法-拉）格 17.2.1.1. 欧拉方法
17.2.2.1.详细指南
对于分层流和活塞流，如模型比较一节中所述，毫无疑问应选择VOF模型。然而对于其他流态不是很明确的流动， 需要定义一些参数来辅助。一般来说，可使用参数颗粒负载率 ，以及Stokes数来进行判断选择合适的模型（注 意，此处的‘颗粒’一词适用于颗粒、液滴、气泡）。
17.2.2.1.1颗粒负载率的影响
17.2.2. 模型比较
一旦用户确定使用欧拉方法下的模型处理实际多相流问题，可以基于下述原则进一步选择合适的多相流模型：
对于气泡、液滴、颗粒负载流，如果混合相或离散相体积分数大于10%，选择Mixture模型或双流体模型。