cfx-多相流

多相流多相流CFXPDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX简介l多相流指一种以上流体存在，并且每种流体用自己的流场参数描述（速度、压力、温度、密度等）l“相”的概念l流体在宏观尺度上混合，该混合尺度远小于解析尺度（网格尺度），但远大于分子尺度。l在微观尺度（分子尺度）上混合的流体可以用定义质量分数的方法来模拟（多组分流）PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFXCFX5.7中的多相流模型l欧拉－欧拉多相流l求解体积分数方程和每一相的流场变量l将单一直径的颗粒视为一相，例如，模拟水中气泡流时，对三种不同直径的气泡，分三相来模拟总共求解四相。l可以模拟连续－离散相，连续－连续相，考虑了表面张力的效应。l拉格朗日颗粒跟踪模型，对颗粒直径分布更容易模拟l沸腾和气蚀等相变模型PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX连续－离散相l一相以连续形式存在，一相以离散形式存在,如颗粒、气泡、液滴等。l例如：雨：空气＋水（液滴流）啤酒：液体＋气泡（气泡流）含有尘土的空气：（颗粒流）不相溶的两种流体：如水中的油滴l可以模拟很高密度比的流体。（连续相密度/离散相密度＝1000，或连续相密度/离散相密度＝0.001。l可以模拟很大的滑移速度。l常见的例子包括气泡流和流化床PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX连续－连续相：自由表面流例子l两相都是连续的l浇注l大坝裂口l油箱加油过程l容器内的液面晃动l明渠流PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX相间的相互作用l动量传递：由于相间滑移速度的存在（阻力）l质量传递：由于浓度差引起l能量传递：由于温差引起PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX欧拉－欧拉多相流模型PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX欧拉－欧拉模型l各相之间在宏观尺度上混合，该混合尺度远小于解析尺度（网格尺度），但远大于分子尺度。l所有的相占有同一空间体积，在控制体内假设每一相占有的体积大小用变量体积分数来表示。l每一相有自己的流场参数。l各相通过相间的能量传输、动量传输、质量传输模型耦合。l相间传输模型和问题的相关程度很大，大多是建立在经验公式上的。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX动量传输：连续－离散相：力l作用在颗粒/离散相上的力阻力升力虚拟质量力湍流耗散力璧面润滑力重力和浮力l考虑一杯汽水中的气泡向上运动的过程气泡穿过液体，速度差引起相间的动量传递，相间出现阻力气泡在液体阻力的作用下运动减慢液体被气泡带动加速为了求解两相的动量方程需要给出相间阻力的表达式。l连续－离散相间的阻力是基于相间滑移速度，连续相的物性，以及接触面积的大小。l一般用无量纲的阻力系数确定阻力的关系。阻力系数和颗粒相的雷诺数相关。l雷诺数中的密度和粘性采用连续相的。l有不同的阻力系数公式可供选择，选择的依据是流动的图谱，实验对选择阻力系数公式有很大帮助。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX动量传输：连续－离散相：力l作用在固体颗粒的阻力（稀相）stokeslaw:低雷诺数时（小于1时），粘性区newton’sregime:高雷诺数时（1000Re2e5)，惯性区schiller-naumann:同时适用于粘性和惯性区，在稀相时。wen-yu:上式的修正gidaspow:对密相区，如流化床适用l颗粒间的相互作用固体压力模型l液滴和气泡的阻力schiller-naumann:在粘性区，可以看作刚性（不变形)在高雷诺数下，阻力系数和雷诺数无关。在低雷诺数下，阻力系数和雷诺数关系不大，和颗粒形状关系大，颗粒形状和表面张力有关。对液滴和气泡流，Ishii-zuber关系式较常用。对水－空气系统，grace模型更合适。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX动量传输：连续－连续相l连续－连续相的例子油－水分离系统自由表面流气泡破裂（气泡的体积比网格尺度还大）l均相流：假设两相间没有滑移速度（如自由表面流）l混合流：有滑移速度存在PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX动量传输：连续－连续相：自由表面流l流体之间有明显的可解析的分界面l例子：明渠流，水绕船体的流动，水喷流，油箱加油。l体积分数接近一或零。（分界面处除外）PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX能量传输l能量传输和动量传输是类似的l可以两种流体都采用能量方程，也可以某一相是等温的l在没有传质的情况下，相间的能量传递是由温差引起的l设置相间传热系数l设置相间传热量l设置Nu数lRanzmarshall和hughmark:基于边界层分析的Nu数lPDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX质量传输l用户指定的传质过程单位体积的质量流量单位面积的质量流量l热力学相变l气蚀l组分传质PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX质量传输l热力学相变例子：纯液体气化为蒸气泡纯气体冷凝为液滴l必须设置饱和温度l对沸腾问题，在连续相侧采用Ranzmarshall和hughmark模型l对冷凝问题，在离散相侧采用Nu数＝6l当饱和温度为常数的情况，蒸汽不会过热，蒸汽相可用等温流模拟，此时蒸汽侧可以采用零阻力传热模型。l当饱和温度变化的情况，蒸汽会过热，两相都解能量方程，此时蒸汽侧可以采用大的Nu数（1000）传热模型。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFXIPMT:BoilinginaHeatedVerticalPipelWaterat100C,1atmpressure.l1mx10cmpipe.1MWm-2heatedwall.lAssume1mmvapourbubbles.lConvergencein70itPDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFXIPMT:BoilinginaHeatedVerticalPipePDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX气蚀l采用均相流模型l可以考虑气相的压缩性l用户可以指定气蚀率l对体积分数采用高阶对流格式有利于收敛l先求解非气蚀结果，以次为初场计算气蚀问题l用户控制的参数饱和压力最大密度比，缺省值1000在通常情况下都适用PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFXIPMT:Cavitation(Propeller)PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX多相流使用技巧l对稀的连续－离散相流，建议连续相的湍流模型采用双方程模型，离散相采用零方程模型，离散相的璧面采用自由滑移璧面条件。l对离散相为液相，并且离散相将从连续相中分离的流动，如油水分离器，两相都可以采用双方程湍流模型。lOpening和outlet：大多数情况下，采用opening条件更稳定，容易收敛。lDegassing:对连续－离散流来讲，degassing边界条件允许离散相流出，不允许连续相流出（自由滑移璧面）。l初场：建议两相的初始速度有小的差别（自由表面流除外）。对体积分数来讲，只需给出一相的，另外一相用automatic即可。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX拉格朗日多相流PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX概要l一般描述lCFX-5.7中的拉格朗日模型lCFX-5.7中拉格朗日模型的一般设置l颗粒喷入l颗粒直径分布l湍流耗散l颗粒/边界相互作用l例子PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFXCFX-5.7Training,2004CFX拉格朗日多相流l跟踪代表性的颗粒样本穿过连续流的轨迹l对每个颗粒积分其常微分方程求得位置和速度l总的质量流量是分加在这些代表性的颗粒样本上的，因此每个颗粒有自己的质量流量，和自己的数字流量PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion©2004ANSYSCFX