12多相流模型-fluent-multiphase

©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary多相流模型多相流模型IntroductoryFLUENTTrainingIntroductoryFLUENTTraining9-2©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary简介‹相是指在流场或者位势场中，具有相同的边界条件和动力学特性的同类物质.‹相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式:z具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相（液相－液相，例如：油－水）‹流体体统包括基础相（primary）和若干从属相（secondary）组成z基础相(primary)是连续介质z从属相(secondary)分散在基础相中z可以有多个不同尺寸的颗粒从属相‹比较而言,多组分流动是一种可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动。PrimaryPhaseSecondaryPhase9-3©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary选择多相流模型‹为能选择合理的模型，用户需要预先了解流动的特点:z流态„微粒(连续介质中的气泡，液滴和固体颗粒)„分层(流体分界面的长度和域的长度相当)z多相湍流模型z在颗粒流动中，以下值需要估算„颗粒体积含量„Stokes数9-4©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary气泡流－连续流体中的离散气泡，例如：减震器，蒸发器，喷射装置。z液滴流－连续气体介质中的离散液滴，例如：喷雾器，燃烧室z弹性流－液相中的大气泡z分层/自由表面流－被清晰界面分开的互不相混的流体，例如：自由表面流z粒子流－连续液体中的固体颗粒，例如：旋风分离器，空气清新器，吸尘器，尘埃环境流z流化床－沸腾床反应堆z泥浆流–流体中含有颗粒、固体悬浮物、沉淀、水力输运Gas/LiquidLiquid/LiquidGas/SolidLiquid/SolidSlugFlowBubbly,Droplet,orParticle-LadenFlowStratified/Free-SurfaceFlowPneumaticTransport,Hydrotransport,orSlurryFlowSedimentationFluidizedBed9-5©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary体积载荷和颗粒载荷‹体积载荷–稀疏型或者密集型z指从属相（secondaryphase）的体积分数z稀疏型(10%)，内部颗粒间的距离大于颗粒直径两倍，因此，颗粒间的相互作用可以忽略。‹颗粒载荷–离散相和连续相的惯性力比率⎩⎨⎧≅=ραραcouplingwaytwo1,couplingwayone,1contcontpartpartncell/domaitheofVolumencell/domaiainphasetheofVolumeFractionVolume=α=primaryVcellVsecondaryV9-6©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary数‹流体系统中有颗粒时，根据Stokes数选择合适的模型zStokes数(St)是粒子(离散相)时间松弛系数(τd)和流动特征时间尺度(τc)的比值。其中.，zD和U是流动特征长度和速度。z如果St1,颗粒将会跟随流场流动。z如果St1,颗粒流动独立于流场流动。cdττ=Stcddddμρ=τ182UDc=τ9-7©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary混合物质相‹在FLUENT的所有多相流模型中，任何相都可以看成是由单个物质或多个物质组成的混合物构成。‹混合相的材料定义和单相流中的定义一样。‹可以建立异相间的反应(反应物和产物属于不同相)。z这意味着异相反应将导致相间的质量传输9-8©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary中的多相流模型‹适合颗粒流的模型z离散相模型(DPM)z混合模型z欧拉多相流模型‹适合有分界面的模型zVOF模型DefineModelsMultiphase…DefinePhases…9-9©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary离散相模型(DPM)‹拉格朗日计算方法下粒子/液滴/气泡的轨迹z粒子可以与连续相交换热，质量和动量。z每条轨迹都是由一组初始条件相同的颗粒形成。z粒子与粒子间的相互作用可以忽略。z可以使用随机轨道方法或者粒子云模型来建立湍流扩散模型。‹子模型z离散相的加热/冷却z流体液滴的汽化和蒸发z燃烧粒子的挥发和燃烧z喷雾模型中液滴的破碎聚合z侵蚀/沉积9-10©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary模型的适用条件‹流态:气泡流,液滴流,粒子流‹体积载荷:必须是稀疏型(体积率12%)‹粒子载荷:少量到适中‹湍流模型:相间的耦合从弱到强‹Stokes数:所有Stokes数‹应用举例z旋风分离器z喷雾干燥器z粒子的分离和分类z液体燃料z媒粉燃烧9-11©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary举例–喷雾干燥器仿真‹使用FLUENT中DPM模型模拟仿真喷雾干燥过程，包括液体喷雾进入加热室接触干燥粉末时的流动，热交换和质量交换。‹优化喷雾干燥器中的不同参数时，CFD仿真技术起到不可或缺的作用。PathLinesIndicatingtheGasFlowFieldAirandmethaneinletsCenterlineforparticleinjectionsOutlet9-12©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary喷雾干燥器仿真(2)ContoursofEvaporatedWaterStochasticParticleTrajectoriesforDifferentInitialDiametersInitialparticleDiameter:2mm1.1mm0.2mm9-13©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary欧拉多相模型‹欧拉多相流模型基于平均N-S方程，可以计算任意粒子和连续相物质。‹对每一相求解守恒方程。‹每相同时共存:每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率等）＋界面项。‹界面项包括动量（升力），热量和质量交换。相间速度和温度差异使得机械能和热能的交换是非线性的。‹提供了附加的模型（湍流模型等）。9-15©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary欧拉模型中的颗粒相关选项‹当固体颗粒的浓度较高时，流动成为颗粒流，颗粒间的相互碰撞加剧。‹粒子考虑为有一定密度、分子相互碰撞的云团组成。颗粒相应用了分子云理论。‹运用这个理论，连续相和粒子相的动量方程将出现附加应力项z粒子速度波动强度决定了这些应力项（粒子粘性、压力等）的大小。z由于粒子速度波动造成的动能表现为“pseudo－thermal”或粒子温度。z考虑了粒子相的不可伸缩性。9-16©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary欧拉模型的适用条件‹流态：气泡流,液滴流,泥浆流,流化床,粒子流‹体积载荷：稀疏－稠密‹颗粒载荷：低到高‹湍流模型：相间的耦合从弱到强‹Stokes数：所有‹应用举例z高浓度粒子流z泥浆流z沉淀z水力运输z流化床z冒口z反应堆9-17©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary欧拉模型案例–三维气泡柱Iso-SurfaceofGasVolumeFraction=0.175LiquidVelocityVectorsz=5cmz=10cmz=15cmz=20cm9-18©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary欧拉模型应用–循环流化床ContoursofSolidVolumeFraction9-19©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary混合模型‹混合模型是一种建立多相流模型的简化欧拉方法。‹简化的基础是假设Stokes数非常小(粒子和基础相的速度大小