FLUENT培训教材08物理模型

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培训教材第八节：物理模型安世亚太科技（北京）有限公司概要多相流模型DiscretephasemodelEulerianmodelMixturemodelVolume-of-fluidmodel化学反应模型EddydissipationmodelNon-premixed,premixedandpartiallypremixedcombustionmodelsDetailedchemistrymodelsPollutantformationSurfacereactions动网格SingleandmultiplereferenceframesMixingplanesSlidingmeshesDynamicmeshesSix-degree-of-freedomsolver多相流模型简介相具有可定义的边界，对周围流场有特定的动力响应

相一般分为固体、液体和气体，但也指其他形式：有不同化学属性的材料，但属于同一种物理相（如液-液）多相流体系统分为一种主流体相和多种次流体相其中一种流体是连续的（主流体）其他相是离散的，存在于连续相中可以有多种次流体相，代表不同尺寸的颗粒PrimaryPhaseSecondaryphase(s)多相流体系气泡流–连续液体中存在离散的气泡，如气体吸收器，蒸发设备，鼓泡设备液滴流–连续气体中的离散液滴，如喷雾器、燃烧器柱塞流–连续液体中的大尺度气泡分层/自由表面流–不相溶的流体被清晰的界面分开，如自由表面流颗粒流–连续气体中的离散固体颗粒，如旋风分离器，空气净化器，吸尘器流化床–流化床反应器泥浆流–液体中的固体颗粒，固体悬浮、沉积、液力输运气/液液/液气/固液/固PneumaticTransport,Hydrotransport,orSlurryFlowFluidizedBedSedimentationStratified/Free-SurfaceFlowSlugFlowBubbly,Droplet,orParticle-LadenFlowFLUENT中的多相流模型FLUENT包括四种不同的多相流模型:DiscretePhaseModel(DPM)VolumeofFluidModel(VOF)EulerianModelMixtureModel选择合适的模型非常重要取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个区别Stokes数(颗粒松弛时间和流体特征时间的比例）也应该考虑进来

whereand.DPM例子-喷雾干燥喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中，用DPM模拟流动、传热、传质过程ContoursofEvaporatedWaterStochasticParticleTrajectoriesforDifferentInitialDiametersInitialparticleDiameter:2mm0.2mm1.1mm欧拉模型的例子–三维气泡床LiquidVelocityVectorsIsosurfaceofGasVolumeFraction=0.175z=

5cmz=

10cmz=

15cmz=20cm欧拉模型中的粒状选项当存在高浓度的固体颗粒时，会导致颗粒间高频率的碰撞，此时应选Granular假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞行为，对颗粒相使用分子云理论应用这个理论后，连续相和颗粒相的动量方程都增加了附加应力这些应力(颗粒“粘性”,“压力”等.)由颗粒速度脉动强度确定伴随颗粒速度脉动的动能由拟热“pseudo-thermal”或颗粒温度代表不考虑颗粒的弹性变形ContoursofSolidsVolumeFractionforHighVelocity

Gas/SandProductionGas/SandGasGravity混合模型案例–气体鼓泡用混合模型模拟氮气喷入混合器中的流动，用MRF方法模拟旋转叶片的效应FLUENT

很好的模拟了气体的停顿和搅动过程。AnimationofGasVolumeFractionContoursWaterVelocityVectorsonaCentralPlaneat

t=15sec.VOF案例–汽车油箱晃动模拟不同加速条件下，液体在汽车油箱中的自由液面晃动模拟显示油箱底部的挡板可以保持入油口浸没在油中，如果没有挡板时，入油口在某些时间会露出油面FuelTankWithoutBafflest

=1.05sect

=2.05secFuelTankWithBafflesDiscretePhaseModel唯一的Lagrange方法不考虑粒子间的碰撞不受Stokes数大小的限制VOFModelFLUENTEuler型多相流模型中较简单的模型（不能模拟粒子运动）相间的分子扩散可以忽略时，能得到较好的结果可以计算液滴与气泡的分裂和合成最小液滴与气泡受网格大小限制MixtureModelFLUENTEuler型多相流模型中较简单的模型受Stokes数大小的限制MixtureModel(Granular)计算负荷比EulerGranular模型要小EulerModel多相流模型中适用范围最广不受Stokes数大小的限制：有时可以用MixtureModel替代计算费用较大Euler

GranularModel可以考虑粒子的堆积和摩擦计算费用最大所有模型都可以考虑化学反应各种模型的特长化学反应流TemperatureinaGasFurnaceCO2MassFractionStreamFunction化学反应流的应用FLUENT包含了从计算均相反应到非均相反应的多个反应模型炉子锅炉热处理炉燃气轮机火箭发动机内燃机CVD,催化反应反应流一般预测流动和混合温度组分浓度颗粒和污染背景知识模拟燃烧中的化学反应快速化学反应全局化学反应机理（有限速率/涡耗散）平衡/小火焰模型（混合分数）有限速率反应流动结构非预混反应系统可简化为混合系统预混反应系统冷态反应物传播到热的生成物中.PartiallypremixedsystemsReactingsystemwithbothnon-premixed andpremixedinletstreams.FuelOxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorSecondaryFuelorOxidizerOutlet化学反应流动结构PremixedNon-PremixedPartiallyPremixedFastChemistryEddyDissipationModel(SpeciesTransport)PremixedCombustionModelNon-PremixedEquilibriumModelPartiallyPremixedModelReactionProgressVariable*MixtureFractionReactionProgressVariable+MixtureFractionFinite-RateChemistryLaminarFlameletModelLaminarFinite-RateModelEddy-DissipationConcept(EDC)ModelCompositionPDFTransportModelFLUENT中反应流模型污染物模型NOx形成模型（预测定性的NOx形成趋势）FLUENT包括三种NOx产生机理ThermalNOxPromptNOxFuelNOxNOx还原模型选择性非催化还原模型(SNCR)l喷入氨水或尿素烟灰形成模型Moos-Brookes模型一步模型，两步模型烟灰对辐射吸收的影响SOx形成模型求解SO2,H2S,或者SO3方程一般SOx预测都作为后处理过程来进行DPM模型描述颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为单个颗粒的互相影响被忽略离散相体积分数必须小于10多个子模型离散相的加热/冷却液滴的蒸发和沸腾可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧喷雾模型模拟液滴破碎和聚合磨损/增长应用范围颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃烧.表面反应对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组分不同的另外一种组分对每个吸收表面组分求解地点平衡方程可以考虑详细表面反应机理（任意的多步反应，任意数量的气相组分/沉积组分）CHEMKIN

中的表面反应机理可以读入FLUENT.表面反应可以在壁面或多孔介质中发生可以在不同的表面定义不同的表面反应机理应用案例催化反应CVD（化学沉积）总结对反应流动，有四个基础的教程组分传输和气相燃烧非预混燃烧表面化学反应液滴挥发动网格动网格简介许多问题需要考虑平移或旋转的部件对移动域，有两种基本的模型方法:运动的参考坐标系参考坐标系和运动域联系在一起修正控制方程来考虑运动坐标系运动/变形域域的位置和形状在静止坐标系下跟踪求解本质上是瞬态的运动域的CFD模型方法单参考坐标系(SRF)多参考坐标系(MRF)混合平面法(MPM)滑移网格(SMM)运动坐标系运动域运动/变形网格(MDM)单参考坐标系模型(SRF)SRF把单一的运动域和一个坐标系连接起来所有的流体域在运动坐标系下定义旋转坐标系引入了附件加速度为什么要使用运动坐标系?在静止坐标系下流场是瞬态的，使用旋转坐标系后流场可以看做稳态的优势用稳态方法求解*边界条件更简单调试更快捷更容易的后处理的分析CentrifugalCompressor(singlebladepassage)*注意:在旋转坐标系下有时依然有瞬态现象，如湍流、周期非平衡、分离、涡脱落等多参考坐标系模型(MRF)包括有静止域和运动域的多域问题，此时，单参考坐标系不适合这类系统可以这样处理：把域分割为多个域：一些域旋转，一些域静止域之间通过交界面传递数据对交界面的处理方式分为以下几种：多参考坐标系模型(MRF)混合平面模型(MPM)滑移网格模型(SMM)interfaceMultipleComponent(blowerwheel+casing)稳态（近似）瞬态（精确）混合平面模型(MPM)MPM方法是对多级轴流和离心旋转机械的稳态解法也适用于其他一般问题域有多个单通道、旋转或静止流体域组成每个域有自己的进口、出口、壁面和周期边界（每个域是一个SRF模型）对每个域求解稳态的SRF，通过边界条件链接各个域链接域的边界称为混合平面通过混合平面的变量是周向平均值，随每步迭代更新分布可以是径向或轴向求解收敛后，混合平面将调整为一般流动条件Mixingplane(Pressureoutletlinkedwithamassflowinlet)MPM的优势:只需要一个流道，和叶片数量无关滑移网格模型(SMM)旋转机械中，静止部件和旋转部件的相对运动导致瞬态相互作用，一般分为以下几种：位差相互作用

(压力波相互作用)尾迹相互作用激波相互作用MRF和MPM模型都忽略了瞬态相互作用，仅限于瞬态效应小的流动如果瞬态效应不能忽略，可以使用SMM方法考虑静止部件和旋转部件的相对运动wakeinteractionShockinteractionpotential

interactionStatorRotorSMM模型如何工作和MRF模型类似的是，计算域分为运动域和静止域，由非一致网格界面连接和MRF模型不同的是，每个域的网格是时间的函数，随时间改变，这样使得问题本身就是瞬态的。另一个和MRF模型不同之处是，控制方程有新的动网格形式，在静止坐标系下求解绝对量没有使用运动坐标系形式（例如，动量方程源项中没有附加加速度的作用）方程组是通用的运动/变形网格形式的一种特殊情况假设为刚性网格运动和滑移，非一致网格界面cellsattimetcellsatt