Fluent多相流模型选择及设定(共43页)

1、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

2、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

3、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

4、称欧拉法和拉格朗日法。欧拉法即为两相流模型，拉格朗日法即为离散相模型欧拉法着眼于空间的点，基本思想是考察空间一个点上的物理量及其变化。在欧拉方法中，FLUENT将不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。各相的体积率是时间和空间的连续函数，其体积分率之等于1。欧拉法中两相流模型包括:VOF(the volumeoffluid)模型，混合模型和欧拉一欧拉模型VOF模型(Volume of Fluid Model) 混合模型(Mixture Model) l 欧拉模型(Eulerian Model) 2.1 VOF模型(Volume of Fluid Model) VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流

5、问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为1，如果1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果01species ；选择 species transport ；下面的reactions不要选 ；然后选择一个包含H2O的mixture material；默认的mixture-template就可以；然后在DPM属性设置中的particle type选择Droplet；在Material中选water-liquid；在Evaporating Species 中选H2O；_（1）请问DPM 模型的使用前提条件是什么?使用中有什么限制?答案

6、：颗粒相体积分数占气相体积分数小于10%。此时可将颗粒相视为离散相，可用DPM，否则可视为连续相（拟流体），采用两相流模型（Mixing Model、EulerModel）（2）那么颗粒相可以是液体吗?答案：可以是液滴,你可以假设液滴为球形的,这样就可以了 还可以做一些其他假设。（3）在DPM 模型中，在离散相的设定中采用surface，颗粒分布rosin 分布，计算为稳态，计算完成后，在相同条件下利用partical tracking 得出的分离效率均不同，又是差别还比较大。请问是不是用这种方法不能得出分离效率，或者fluent 这种计算随机性较大呢？答案：将射流源里面的number of

7、tries 的值增大，发现这样可以看到湍流对于离散相的影响，你每点一次显示的值不一样，也是因为湍流的影响，多次的点击就相当于将上面的值增大，不过是将多次的计算结果都显示在一个窗口上，（4）当我将计算模型从segregated 转换成coupled 的时候，在运行DPM 计算模型时，出现如下错误：Error: couldnt allocate fine level coefficient matrixError Object: ()请问如何消除？如果换回segregated，问题又没有了，我想是不是使用coupled（solver）的时候另有设置？答案：我的理解，既然选定的解算器，就已经决定了求

8、解的方式：是分别求出各变量（segregate），还是所有方程联立共同求出各变量（coupled）。但你从segregate变为coupled 时，是否考虑了有时，这两个是不可以相互交换的？比如用segregate 时，可以不考虑能量方程，而从连续方程和动量方程求解出压力速度场，然后再求解出温度场，这样这几个参数不是相互依赖的关系。而用coupled是，方程是耦合的，必须同时求解。我想，大概出现问题的原因在这里。（5）使用segregated 时可以不考虑能量方程，那是不是也可以考虑，还有在solver中选定energy 一项，是不是就算考虑了能量方程？答案：这里说的是求解过程中，比如温度变化

9、不大时，粘度可以认为是常数，这样流体运动不受温度场的影响，流场可以独立于温度场求解，这时，可以先从连续方程和动量方程中求解出速度和压力来，然后带入能量方程中求出温度来。并不是说不考虑能量方程，只是它们间的相互作用可以不考虑。也就是说将运动和传热问题分开来分析了。所以叫segregated，而coupled，是由于几个因素相互影响不能忽略，比如粘度时温度和函数。等等，必须同时考虑，所以在求解时，要同时解出来，不分先后。所以叫耦合。（6）在DPM（discrete phase model）中，有分散相（particle）位置定义，即firstposition 和last position，请问各位

10、这两项分别代表什么，要是需要定义多个particle 的位置，该怎么操作？答案：first position 是你选group 时第一个喷口的位置，last 嘛就是最后那个了你想定义多个的话，就多产生几个injection 好了啊（7）我用DPM 模型模拟粉尘在湍流中的扩散，现有关于离散相参数设置的问题不明，就是在设置两相耦合设置的时候，Number Of Continuous Phase IterationsPer DPM Iteration 也就是迭代计算的时间间隔数应该设多少？如果太大是不是耦合的不好，而太小对连续相影响太大，引起波动不容易收敛。答案：Number Of Continuo

11、us Phase Iterations Per DPM Iteration 我通常设为20 次（8）我用颗粒云模型计算出来的结果跟用随机轨道模型的结果不同啊，颗粒云中的最小颗粒群半径应该是0 吧，那么设置不同的最大颗粒群半径结果也有很大差异，现在关键是颗粒云模型的最小以及最大颗粒群半径应该设多少，这个数如果大于某个数值结果就都一样了，如果较小对结果影响就很大答案：用颗粒云模型计算出来的结果跟用随机轨道模型的结果不同。这很正常啊，因为两者的模拟方式不同，怎可能期待会有相同的結果？设置不同的最大颗粒群半径结果也有很大差异，這也是很合理的！顆粒的大小本来就会影响流场的性质。我发现耦合的时间间隔对结果

12、的影响不是很大，那么设10，20 也都差不多。关键是颗粒云模型的最小以及最大颗粒群半径应该设多少？顆粒半径的大小，应该取决于要模拟的物体其半径有多大（可以估计）。_壁面热边界条件中的所有参数结合不同的壁面种类进行说明：一、主要壁面边界参数的说明1、壁面厚度(Wall Thickness):指定流场中Wall 的厚度，默认值0，作为0 厚度的Wall 来处理。当给定厚度的时候，因为壁本身有一定的面积，它和厚度的乘积得到Wall 的体积，由于固体材料有一定的热容，所以这样设置后Wall 条件就有一定的热吸收和贮存的能力。一般来讲，如果在建模时把较厚的壁简化成壁面的话，有时就要考虑这种壁面的热吸收和

13、贮存效应。2、壁面热产生率（Heat Generator Rate）：单位体积的Wall 产生的热量。这里不要误解，因为和壁面的厚度配合使用，所以它是体积单位的倒数。如果壁面厚度为0，这个壁面热产生率也就没有意义了，因为有厚度的壁面才是有体积的壁面。一般来讲，这种条件用来处理总的发热流率已知，均匀壁面散热问题。注意：这两个条件和具体的壁面种类选取无关，故放在前面，单独分析。3、热流壁(Heat Flux)：这是一个最常用的壁面条件，给定壁面的热流，通过计算可以得到壁面的温度。(*如果热流为0，就是简单而著名的绝热壁条件。)4、温度壁（Temperature）：这个温度壁可以简单的给定常数温度，

14、形成恒温壁，也可以用UDF 等指定随时间变化的温度。这种条件下，可以得到整个流场对壁面的热流率。5、对流壁（Convection）：对流壁要求指定外部热对流系数（External Heat Transfer Coefficient ） 和外部参考温度（ External Heat Sink Temperature）,它的物理意义是，相当于在流场外，也就是壁面外指定一个给定温度和对流系数的对流源，它们向流场内通过对流的方式传输热流。特别要注意的是，在对流壁的界面中，它们分别写成 Heat Transfer Coefficient 和Free Stream Temperature。6、辐射壁（Ra

15、diation）：辐射壁要求指定外部辐射系数（Emissivity of The External Wall Surface）和外部辐射参考温度（ Temperature of The Radiation Source or Sink On The Exterior）,它的物理意义是，相当于在流场外，也就是壁面外指定一个给定温度和辐射系数的辐射源，它们向流场内通过辐射的方式传输热量。特别要注意的是， 在辐射壁的界面中， 它们分别写成External Emissivity和External Radiation Temperature7、对流和辐射混合壁（Mixed）：这就是5和6中讲到的两种壁的

16、混合,在这里就不多讲了。8、内部辐射系数（Internal Emissivity）：当采用辐射模型计算流场热辐射的时候，如离散坐标辐射模型（DO）等，在壁面条件中增加了这样一个参数。它是一个控制壁面热辐射流率的参数。它的选定根据固体材料的种类选定。这可以查材料手册得到。二、要明确的几个问题1 、外部辐射系数（ External Emissivity ） VS 内部辐射系数（Internal Emissivity）。FLUENT 中采用这样两个相似的名字有它一定的道理，它们都是用来计算辐射的时候要在总辐射能量的前面用到的一个系数。但同时这样的命名也给理解造成了一定麻烦，很容易混淆。要是从物理概念

17、上理解这两个参数就不会弄混了。外部辐射考虑当在流场外有一个辐射源向流场辐射热量的时候而用到的参数，也就是说只有你选择辐射壁或者混合壁的时候这个参数才出现，要根据流场外的辐射源来确定这个参数。内部辐射系数，是在你考虑辐射模型的条件下才出现，例如在你选择P1、DO 等计算热辐射的时候，所以这是一个根据壁面固体材料特性选择确定的参数。特别要注意的是，不同的固体材料差别很大，具体应用的时候查材料特性手册得到。我要强调的是大家是做流体计算的，好多人都忽略了固体材料的事情，用默认的万能的铝，什么都不改，有时这是很成问题的！2、壁面热产生率一定要和壁面厚度配合使用。3 、分清壁面条件中给定的都是什么温度，

18、用到的温度有三个：Temperature 、Free Stream Temperature 和External RadiationTemperature，特别要注意，只有第一个是给定了壁面的温度，后面两个分别给出自由流的参考温度和外部辐射源的参考温度。_湍流的数值模拟目前采用的数值计算方法可以大致分为以下三大类：2.1直接模拟直接模拟就是用三维的非稳态的纳维斯托克斯方程对湍流进行直接数值计算的方法。要对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨出湍流的详细的空间结构以及变化剧烈的特性。因此，湍流的直接数值模拟对计算机内存空间和计算速度的要求非常高，目前还无法用

19、于工程数值计算。只有少数使用超级计算机的研究者才能从事这一类研究和计算。2.2大涡模拟按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动与混合主要由大尺度的涡旋造成。大尺度的涡从主流中获得能量，他们是高度的非各向同性，而且随流动的情形而异。大尺度的涡通过互相作用把能量传递给小尺度的涡。小尺度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同的流动中的小尺度的涡有许多共性。关于涡旋的上述认识就导致了大尺度涡模拟的数值解法。这种方法旨在用非稳态的纳维-斯托克斯方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑，这种大涡模拟对计算机内存以及计算速度的要求虽然仍比较高，但远低于直接模拟

20、的方法对计算机资源的要求，在工作站上甚至个人电脑上都可以进行一定的研究工作，因而近年来的研究与应用日趋广泛。2.3应用Reynolds时均方程的模拟方法在这类方法中将非稳态的控制方程对时间做平均，在所得的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等物理量，于是方程的个数将小于未知量的个数，方程组不封闭。要使方程组封闭，必须做出建设，即建立模型。在Reynolds时均方程法中，又有Reynolds应力方程法及湍流粘性系数法两大类。其中湍流粘性系数法是目前工程流动与数值计算中应用最广泛的方法。_多相流模型和离散相模型的区别两相流：通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；其中

21、含有多种尺寸组颗粒群为一个“相”，气体或液体为另一“相”，由此就有气液，气固，液固等两相流之分。两相流的研究：对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，而把颗粒群作为离散体系；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian 坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian 坐标或空间坐标。1.离散相模型 FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相； 离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液

22、体燃料的燃烧等； 应用范围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等/大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等； 颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑； 湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道” FLUENT 提供五种雾化模型

23、：l （1）平口喷嘴雾化(plain-orifice atomizer)l （2）压力旋流雾化(pressure-swirl atomizer)l （3）靶式雾化(flat-fan atomizer)l （4）气体辅助雾化(air-blast/air-assisted atomizer)l （5）气泡雾化(effervescent/flashing atomizer)用户可以在 Set Injection Properties 面板中选择喷嘴类型及其相应参数下面就介绍各个喷嘴模型：概述：所有的模型都是用喷嘴的物理及尺寸参数（例如喷口直径、质量流率）来计算初始颗粒尺寸、速度、位置。对于实际的喷嘴

24、模拟来说，无论是颗粒的喷射角度还是其喷出时间都是随机分布的。但对FLUENT 的非雾化喷射入口来说，液滴都是在初始时刻以一个固定的轨道喷射出去（到流场中去）。喷雾模型中使用随机选择模型得到液滴的随机分布。随机选择轨道表明初始液滴的喷射方向是随机的。所有的喷嘴模型中都要设第初始喷射角（范围），颗粒通过随机的方法在这个范围内得到一个初始喷射方向。这种方法提高了由喷射占主导地位流动的计算精度。在喷嘴附近，液滴在计算网格内的分布趋向于更加均匀，这样，通过气相作用于液滴上的曳力就加强了气相液滴之间的耦合作用。1. 平口喷嘴雾化(plain-orifice atomizer)模型平口喷嘴是最常见也是最简单

25、的一种雾化器。但对于其内部与外部的流动机制却很复杂。液体在喷嘴内部得到加速，然后喷出，形成液滴。这个看似简单的过程实际却及其复杂。平口喷嘴可分为三个不同的工作区：单相区、空穴区、以及回流区。不同工作区的转变是个突然的过程，并且产生截然不同的喷雾状态。喷嘴内部区域决定了流体在喷嘴处的速度、初始颗粒尺寸、以及液滴分散角。2. 压力旋流雾化喷嘴模型另一种重要的喷嘴类型就是压力旋流雾化喷嘴。气体透平工业的人把它称作单相喷嘴（simplex atomizer）。这种喷嘴，然后流体通过一个称作旋流片的喷头被加速后，进入中心旋流室。在旋流室内，旋转的液体被挤压到固壁，在流体中心形成空气柱，然后，液体以不稳定

26、的薄膜状态从喷口喷出，破碎成丝状物及液滴。在气体透平、燃油炉、直接喷射点火式汽车内燃机的液体燃料燃烧中，压力旋流雾化喷嘴使用很广泛。液体从内部流到完全雾化的过程可分为三个步骤：液膜形成、液膜破碎及雾滴形成。3. 空气辅助雾化模型：为了加速液膜的破碎，喷嘴经常会添加上辅助空气。液体通过喷座的作用形成液膜,空气则直接冲击液膜以加速液膜的破碎。这种雾化被称为空气辅助雾化或气泡（air-blast）迸裂雾化（依赖于空气量及其速度）。通过辅助空气的作用，可以得到更小的雾滴。这种提高雾化质量的作用机制并不清楚。一般的看法是，辅助空气加剧了液膜的不稳定性。同时，空气有助于液滴的分散，防止液滴间的碰撞。空气雾

27、化喷嘴同压力旋流雾化喷嘴一样被广泛应用，尤其是用在要求雾化粒径很小的场合。FLUENT 中的空气雾化模型由压力旋流雾化模型所衍生。有个不同点是，在空气辅助雾化模型里，用户需要直接设定液膜厚度。因为空气雾化喷嘴的液膜形成机制很多，所以必须要有此设定。这样，在空气辅助雾化喷嘴模型里就没有压力旋流雾化模型里所具有的液膜形成方程。用户还必须设定液膜与空气间的最大速度差。尽管这个量可以计算出来，但设定一个值之后用户就可以不必计算喷嘴的内部流动了。这个特点对大区域（喷嘴相对很小）的流动模拟很方便。其他方面的设定与压力雾化喷嘴模型的一样。用户必须设定质量流率和喷射角度。液膜离开喷口之后，它的初始轨道沿着设定

28、的喷射角。如果初始液膜的轨道指向中心线，那么，喷射角度为负值。用户还需要设定喷口处液膜的内外半径。空气辅助雾化模型不包含内部气体的流动。在 FLUENT 中，用户必须把喷嘴内的空气流动设定为边界条件。空气流动可看作一般的连续相的流动，不需要做特别的处理。4. 转杯雾化模型（The Flat-Fan Atomizer Model）转杯雾化喷嘴与压力旋流雾化喷嘴很类似，只是它形成了液膜层，而不是旋流。液体从宽而薄的喷口出来后形成平面液膜，继而破碎成液滴。一般认为，它的雾化机理与压力旋流雾化喷嘴类似。一些学者认为转杯雾化喷嘴（由冲击射流雾化而来）的雾化机理与平面液膜的雾化类似。在这种情况下，转杯雾化

29、模型可以应用。只有在三维的情况下才可以使用这个模型。5. 气泡雾化模型气泡雾化喷嘴中，液体中混合了过热液体（相对下游工况）或者类似的介质。当挥发性液体从喷口喷出时，迅速发生相变。相变使流体迅速以很大的分散角破碎成小液滴。此模型也适用于热流体射流。计算中还必须设定蒸发的气体，此蒸汽是连续相的一部分而不是分散相模型所要处理的。在设定连续相的边界条件时，用户必须在喷口处设定一个连续相的入口边界条件。若选择气泡雾化模型，还需要设定喷口直径、质量流率、混合量、挥发分物质的饱和温度、温度分数、射流半角以及分散常数。离散相的初始条件设定在 FLUENT 中的离散相计算中，用户的主要输入项是初始条件项。初始条件定义