多相流數(shù)值計(jì)算

1、FLUENT計(jì)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(diǎn)：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(dāng)作擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體。引入兩種坐標(biāo)系：即拉格朗日坐標(biāo)和歐拉坐標(biāo)，以變形前的初始坐標(biāo)為自變量稱為拉格朗日Langrangian坐標(biāo)或物質(zhì)坐標(biāo)；以變形后瞬時(shí)坐標(biāo)為自變量稱為歐拉Eulerian坐標(biāo)或空間坐標(biāo)。離散相模型FLUENT在求解連續(xù)相的輸運(yùn)方程的同時(shí)，在拉格朗日坐標(biāo)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?jǐn)?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?jǐn)?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(jī)方法來考慮瞬時(shí)湍流速度對顆粒軌道的影響；Cloud Tracking，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴(kuò)散。通過計(jì)算顆粒的系統(tǒng)平均運(yùn)動方程得到顆粒的某個(gè)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(jì)算的每個(gè)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(kuò)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(yùn)動；用于模擬各相有不同速度的多相流；也用于模擬有強(qiáng)烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運(yùn)動的多相流；缺點(diǎn)：界面特性包括不全，擴(kuò)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(diǎn)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?jǐn)?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(yùn)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?jǐn)?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(jì)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(dāng)考慮計(jì)算域內(nèi)的interphase drag laws 時(shí)，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(fù)載流動：連續(xù)氣體流動中有離散的固體粒子氣力輸運(yùn)：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(gè)盛有粒子的豎直圓筒構(gòu)成，氣體從一個(gè)分散器進(jìn)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(yùn)輸：在連續(xù)流體中密布著固體顆粒沉降運(yùn)動：在有一定高度的盛有液體的容器內(nèi)，初始時(shí)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(shí)例氣泡流：抽吸、通風(fēng)、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(jī)、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(fù)載流：旋風(fēng)分離器、空氣分類器、洗塵器、環(huán)境塵埃流動氣力輸運(yùn)：水泥、谷粒和金屬粉末的輸運(yùn)流化床：流化床反應(yīng)器、循環(huán)流化床泥漿流：泥漿輸運(yùn)、礦物處理水力輸運(yùn)：礦物處理、生物醫(yī)學(xué)、物理化學(xué)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?jǐn)?shù)小于10%的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動，采用離散相模型。2)對于離散相混合物或者單獨(dú)的離散

8、相體積率超出10%的氣泡、液滴和粒子負(fù)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(yùn)，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(yùn)，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(shí)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(shí)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(gè)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?jǐn)?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(jì)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(jì)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(gè)要點(diǎn)。多相流的計(jì)算，首先是要對要研究的問題要有一個(gè)比較詳細(xì)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(diǎn)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(gè)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(xì)，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(yùn)動是按Lagrarian方法，連續(xù)流體的計(jì)算是按Eulerian方法。DPM可以跟蹤單獨(dú)粒子的運(yùn)動軌跡。但該方法不考慮粒子對連續(xù)流體運(yùn)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(xiàng)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(jì)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(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算，每相都有單獨(dú)的守恒方程。據(jù)有很大的適應(yīng)性。但代價(jià)是由于要對各相都要進(jìn)行獨(dú)自計(jì)算迭代，計(jì)算機(jī)時(shí)是很巨大的。故Mixture是Eulerian模型的一種折衷計(jì)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(jì)劃其初始體積份額為1，指定這個(gè)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(qiáng)位置最好設(shè)置在永遠(yuǎn)是100%最小密度流體的位置，這樣才能達(dá)到好的收斂。設(shè)置工作流體的密度時(shí)，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(xué)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(jì)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(xué)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(jì)算模型，利用Fluent軟