多相流數(shù)值計算

1、FLUENT計算兩相流相關(guān)問題：通常把含有大量固體或液體顆粒的氣體或液體流動稱為兩相流；兩相流的研究：對兩相流的研究有兩種不同的觀點：一是把流體作為連續(xù)介質(zhì)而把顆粒群作為離散體系；而另一是除了把流體作為連續(xù)介質(zhì)外，還把顆粒群當作擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體。引入兩種坐標系：即拉格朗日坐標和歐拉坐標，以變形前的初始坐標為自變量稱為拉格朗日Langrangian坐標或物質(zhì)坐標；以變形后瞬時坐標為自變量稱為歐拉Eulerian坐標或空間坐標。離散相模型FLUENT在求解連續(xù)相的輸運方程的同時，在拉格朗日坐標下模擬流場中離散相的第二相；離散相模型解決的問題：煤粉燃燒、顆粒分離、噴霧干燥、液體燃料的燃燒等；應(yīng)用范

2、圍：FLUENT中的離散相模型假定第二相體積分數(shù)一般說來要小于10-12%（但顆粒質(zhì)量承載率可以大于10-12%，即可模擬離散相質(zhì)量流率等大于連續(xù)相的流動）；不適用于模擬在連續(xù)相中無限期懸浮的顆粒流問題，包括：攪拌釜、流化床等；顆粒顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響未考慮；湍流中顆粒處理的兩種模型：Stochastic Tracking，應(yīng)用隨機方法來考慮瞬時湍流速度對顆粒軌道的影響；Cloud Tracking，運用統(tǒng)計方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴散。通過計算顆粒的系統(tǒng)平均運動方程得到顆粒的某個平均軌道。多相流模型FLUENT中提供的模型：VOF模型(Volume of

3、 Fluid Model)混合模型(Mixture Model)歐拉模型(Eulerian Model)1.VOF模型(Volume of Fluid Model)VOF模型用來處理沒有相互穿插的多相流問題，在處理兩相流中，假設(shè)計算的每個控制容積中第一相的體積含量為1，如果1=0，表示該控制容積中不含第一相，如果1=1，則表示該控制容積中只含有第一相，如果0<1<1，表示該控制容積中有兩相交界面；VOF方法是用體積率函數(shù)表示流體自由面的位置和流體所占的體積，其方法占內(nèi)存小，是一種簡單而有效的方法。2.混合模型(Mixture Model)用混合特性參數(shù)描述的兩相流場的場方程組稱為混

4、合模型；考慮了界面?zhèn)鬟f特性以及兩相間的擴散作用和脈動作用；使用了滑移速度的概允許相以不同的速度運動；用于模擬各相有不同速度的多相流；也用于模擬有強烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運動的多相流；缺點：界面特性包括不全，擴散和脈動特性難于處理。3.歐拉模型(Eulerian Model)歐拉模型指的是歐拉-歐拉模型；把顆粒和氣體看成兩種流體，空間各點都有這兩種流體各自不同的速度、溫度和密度，這些流體其存在在同一空間并相互滲透，但各有不同的體積分數(shù)，相互間有滑移；顆粒群與氣體有相互作用，并且顆粒與顆粒之間相互作用，顆粒群紊流輸運取決于與氣相間的相互作用而不是顆粒間的相互作用；各顆粒相在空間中有

5、連續(xù)的速度、溫度及體積分數(shù)分布。怎樣選擇？1.VOF模型適合于分層流動或自由表面流；Mixture和Eulerian模型適合于流動中有混合或分離，或者離散相的體積份額超過10%12的情況。2.Mixture模型和Eulerian模型區(qū)別如果離散相在計算域分布較廣，采用Mixture模型；如果離散相只集中在一部分，使用Eulerian模型；當考慮計算域內(nèi)的interphase drag laws 時，Eulerian模型通常比Mixture模型能給出更精確的結(jié)果。FLUENT多相流模型分類1、氣液或液液流動氣泡流動：連續(xù)流體中存在離散的氣泡或液泡液滴流動：連續(xù)相為氣相，其它相為液滴栓塞

6、（泡狀）流動：在連續(xù)流體中存在尺寸較大的氣泡分層自由流動：由明顯的分界面隔開的非混合流體流動。2、氣固兩相流動粒子負載流動：連續(xù)氣體流動中有離散的固體粒子氣力輸運：流動模式依賴，如固體載荷、雷諾數(shù)和例子屬性等。最典型的模式有沙子的流動，泥漿流，填充床以及各相同性流。流化床：有一個盛有粒子的豎直圓筒構(gòu)成，氣體從一個分散器進入筒內(nèi)，從床底不斷沖入的氣體使得顆粒得以懸浮。3、液固兩相流動泥漿流：流體中的大量顆粒流動。顆粒的stokes數(shù)通常小于1。大于1是成為流化了的液固流動。水力運輸：在連續(xù)流體中密布著固體顆粒沉降運動：在有一定高度的盛有液體的容器內(nèi)，初始時刻均勻散布著顆粒物質(zhì)隨后，流體會出現(xiàn)分層

7、。4、三相流以上各種情況的組合多相流動系統(tǒng)的實例氣泡流：抽吸、通風、空氣泵、氣穴、蒸發(fā)、浮選、洗刷。液滴流：抽吸、噴霧、燃燒室、低溫泵、干燥機、蒸發(fā)、氣冷、洗刷。栓塞流：管道或容器中有大尺度氣泡的流動分層流：分離器中的晃動、核反應(yīng)裝置沸騰和冷凝粒子負載流：旋風分離器、空氣分類器、洗塵器、環(huán)境塵埃流動氣力輸運：水泥、谷粒和金屬粉末的輸運流化床：流化床反應(yīng)器、循環(huán)流化床泥漿流：泥漿輸運、礦物處理水力輸運：礦物處理、生物醫(yī)學、物理化學中的流體系統(tǒng)沉降流動：礦物處理。多相流模型的選擇原則1、基本原則1)對于體積分數(shù)小于10%的氣泡、液滴和粒子負載流動，采用離散相模型。2)對于離散相混合物或者單獨的離散

8、相體積率超出10%的氣泡、液滴和粒子負載流動，采用混合模型或歐拉模型。3)對于栓塞流、泡狀流，采用VOF模型4)對于分層自由面流動，采用VOF模型5)對于氣動輸運，均勻流動采用混合模型，粒子流采用歐拉模型。6)對于流化床，采用歐拉模型7)泥漿和水力輸運，采用混合模型或歐拉模型。8)沉降采用歐拉模型9)對于更一般的，同時包含多種多相流模式的情況，應(yīng)根據(jù)最感興趣的流動特種，選擇合適的流動模型。此時由于模型只是對部分流動特征采用了較好的模擬，其精度必然低于只包含單個模式的流動。2、混合模型和歐拉模型的選擇原則VOF模型適合于分層的或自由表面流，而混合模型和歐拉模型適合于流動中有相混合或分離，或者分散

9、相的體積分數(shù)超過10%的情況（小于10%可使用離散相模型）。1)如果分散相有寬廣的分布（如顆粒的尺寸分布很寬），最好采用混合模型，反之使用歐拉模型。2)如果相間曳力規(guī)律一直，歐拉模型通常比混合模型更精確；若相間曳力規(guī)律不明確，最好選用混合模型。3)如果希望減小計算了，最好選用混合模型，它比歐拉模型少解一部分方程；如果要求精度而不在意計算量，歐拉模型可能是更好的選擇。但是要注意，復(fù)雜的歐拉模型比混合模型的穩(wěn)定性差，可能會遇到收斂困難。選用FLUENT多相流模型的幾個要點。多相流的計算，首先是要對要研究的問題要有一個比較詳細的了解。你對模擬過程了解多少，可能的結(jié)果是什么?？梢韵胂笠幌履隳M的過程，

10、你想要得到的結(jié)果側(cè)重點在哪里，等等。然后根據(jù)問題選擇不同的多相流模型。由于不同的模型適合不同的模型，因此首先要對FLUENT各個多相模型有一明確的概念，你如何簡化問題，另外，網(wǎng)格的劃分很重要。盡量采用簡單的網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密程度，那些地方要細，那些地方可以疏些，等等。好的前處理對獲得快速收斂的解非常非常重要！ 關(guān)于FLUENT不同多相流模型的選擇和比較：1)對DPM模型，采用的是Lagraian-Eulerian方法。粒子的運動是按Lagrarian方法，連續(xù)流體的計算是按Eulerian方法。DPM可以跟蹤單獨粒子的運動軌跡。但該方法不考慮粒子對連續(xù)流體運動的影響，所以只適用于粒子體

11、積占總體積不大于10%的情況。2)VOF模型。該模型能夠比較好的反映多相流之間的界面情況。比如大的氣泡以比較慢的速度在液體中流動，氣液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各項物性參數(shù)，如密度，粘度等，是各相物性的體積平均值，所以要求各相的速度之間差別不能太大，否則會對計算結(jié)果的精度影響很大。一般情況VOF采用非穩(wěn)態(tài)模擬比較好。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其他離散相的值。3)Mixture模型。此模型考慮了離散相和連續(xù)相的速度差，及相互之間的作用。但相與相之間是不相容的。動量方程及連續(xù)方程等中各物性參數(shù)采用的是各相體積平均值。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其

12、他離散相的值。4)Eulerian模型。此模型可以對各相進行單獨的計算，每相都有單獨的守恒方程。據(jù)有很大的適應(yīng)性。但代價是由于要對各相都要進行獨自計算迭代，計算機時是很巨大的。故Mixture是Eulerian模型的一種折衷計算模型：1、 求解器：VOF模型不能使用coupled solvers求解器，必須使用segregated solver求解器。2、 湍流模型：VOF不能用于無黏流，也不能用于大渦模擬。3、 兩相流界面的相互作用？主相和第二相的設(shè)定：對于區(qū)域一部分中的一相，如果計劃其初始體積份額為1，指定這個相為第二相更為方便；如果一相是可壓縮的，為了提高解的穩(wěn)定性，建議指定它為主相。對于VOF的參考壓強位置最好設(shè)置在永遠是100%最小密度流體的位置，這樣才能達到好的收斂。設(shè)置工作流體的密度時，最好選擇為最輕相的密度，這樣排除了水力靜壓的積累，如果任何一相都是可壓縮的，設(shè)置工作密度為零。對于液體和Ma小于0.3的氣體都可以近似看成不可壓流體。板式換熱器模型總結(jié)北京化工大學蔡毅建立與人字形波紋板片完全相同的。含分配區(qū)和傳熱區(qū)冷熱雙流道換熱的計算模型，數(shù)值模擬4組不同名義速度下流體的流動和換熱情況。 天津大學張晶建立1000mm數(shù)量級冷熱雙流道的人字形板式換熱器整板片的流動及換熱計算模型，利用Fluent軟