第19章离散相模型

19．离散相模型本章介绍FLUENT中可供选择的拉格朗日离散相模型及其使用方法。本章内容的组织如下：19.1离散相模型概述与应用范围19.2离散相的轨道计算19.3传热与传质的计算19.4射流（雾化）模型19.5连续相与离散相的相间耦合19.6离散相模型的使用方法概述19.7离散相模型的选择19.8非稳态颗粒的计算19.9离散相的初始条件设定19.10离散相的边界条件设定19.11离散相的介质属性设定19.12离散相的计算过程19.13离散相的后处理19.1离散相模型概览与其应用范围19.1.1简介19.1.2湍流中的颗粒处理方法19.1.3应用范围19.1.4离散相模型的求解过程概述19.1.1简介除了求解连续相的输运方程，FLUENT也可以在拉氏坐标下模拟流场中离散的第二相。由球形颗粒（代表液滴或气泡）构成的第二相分布在连续相中。FLUENT可以计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量/质量传递。相间耦合以及耦合结果对离散相轨道、连续相流动的影响均可考虑进去。FLUENT提供的离散相模型选择如下：对稳态与非稳态流动，可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性、曳力、重力预报连续相中，由于湍流涡旋的作用而对颗粒造成的影响离散相的加热/冷却液滴的蒸发与沸腾颗粒燃烧模型，包括挥发份析出以及焦炭燃烧模型（因而可以模拟煤粉燃烧）连续相与离散相间的耦合液滴的迸裂与合并应用这些模型，FLUENT可以模拟各种涉及离散相的问题，诸如：颗粒分离与分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉燃烧。19.2-19.5介绍离散相计算中所用到的物理方程；设定、求解和后处理在19.6-19.13中介绍。19.1.2湍流中的颗粒随机轨道模型或颗粒群模型（19.2.2）可考虑颗粒湍流扩散的影响。在随机轨道模型中，通过应用随机方法（19.2.2）来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。而颗粒群模型则是跟踪由统计平均决定的一个“平均”轨道（19.2.2）。颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率分布函数（PDF）。两种模型中，颗粒对连续相湍流的生成与耗散均没有直接影响。19.1.3应用范围颗粒体积分数的适用范围FLUENT中的离散相模型假定第二相（分散相）非常稀薄，因而颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。这种假定意味着分散相的体积分数必然很低，一般说来要小于10-12%。但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即用户可以模拟分散相质量流率等/大于连续相的流动。参阅第十八、二十章来确定具体多相流问题中的适用模型。模拟连续相中悬浮颗粒的限制稳态拉氏离散相模型适用于具有确切定义的入口与出口边界条件问题，不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，这类问题经常出现在处理封闭体系中的悬浮颗粒过程中，包括：搅拌釜、混合器、流化床。但是，非稳态颗粒离散相模型可以处理此类问题。参阅第十八、二十章来确定具体多相流问题中的适用模型。在FLUENT的其它模型中应用离散相模型的限制一旦使用了离散相模型，下面的模型将不能使用：选择了离散相模型后，不能再使用周期性边界条件（无论是质量流率还是压差边界条件）可调整时间步长方法不能与离散相模型同时使用预混燃烧模型中只能使用非反应颗粒模型同时选择了多参考坐标系与离散相颗粒模型时，在缺省情况下，颗粒轨道的显示失却了其原有意义；同样，相间耦合计算是没有意义的。在多参考坐标系下跟踪颗粒以及计算相间耦合的解决办法是选择基于流体的绝对速度而不是相对速度。相应的调整如下：在文本命令窗口下define/models/dpm/tracking/track-in-absolute-frame。应该指出的是，在基于绝对速度跟踪颗粒时，可能引起不合理的颗粒-壁面相互作用。颗粒的喷入速度（在SetInjectionProperties面板里设定）是基于参考坐标而定义的，因而，颗粒的跟踪也是基于这个设定的坐标。缺省情况下，颗粒的喷入速度是基于当地坐标系。如果你激活了track-in-absolute-frame选项，那么，其喷入速度将会是基于绝对坐标系定义的速度。19.1.4离散相模型的求解过程概述在FLUENT模型中，你可以通过定义颗粒的初始位置、速度、尺寸以及每个（种）颗粒的温度来使用此模型。依据对颗粒物理属性的定义而确定的颗粒初始条件可以用来初始化颗粒的轨道和传热／质计算。当颗粒穿过流体运动时，颗粒的轨道以及传热量、传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流／辐射引起的热量／质量传递来进行计算。可通过图形化界面或文本界面输出计算出的颗粒轨道以及相应的传热／质量。既可以通过在一个固定的流场中（非耦合方法）来预测离散相的分布，也可以在考虑离散相对连续相有影响的流场（相间耦合方法）中考察颗粒的分布。相间耦合计算中，离散相的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影响了离散相的分布。可以交替计算连续相和离散相直到两相的计算结果都达到收敛标准。细节请参阅19.5。稳态问题的求解步骤稳态离散相问题的设定、求解的一般过程如下：1求解连续相流场2创建离散相喷射源(射流源)3求解耦合流动（如果希望计算的话）4用PLOT或REPORT图形界面来跟踪离散相非稳态问题的求解步骤非稳态离散相问题的设定、求解的一般过程如下：1创建离散相喷射入口2初始化流场3设定求解的时间步长和时间步数。在每个时间步，颗粒的位置将得到更新。如果求解问题是非耦合流动，那么，颗粒的位置在每个时间步计算完成之后得到更新的；如果是耦合流动，那么，颗粒的位置在每个时间步内的相间耦合迭代计算过程中都会得到更新。19.2轨道的计算19.2.1颗粒运动方程19.2.2颗粒湍流扩散19.2.3颗粒磨蚀与沉积19.2.1颗粒运动方程颗粒的力平衡FLUENT中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒（液滴或气泡）的轨道。颗粒的作用力平衡方程（颗粒惯性＝作用在颗粒上的各种力）在笛卡尔坐标系下的形式（ｘ方向）为：xppxpDpFguuFdtdu)()(（19.2.1）其中()(pDuuF)为颗粒的单位质量曳力，其中其中，24Re182DppDCdF（19.2.2）u为流体相速度，pu为颗粒速度，为流体动力粘度，为流体密度，p为颗粒密度（骨架密度），pd为颗粒直径，Re为相对雷诺数（颗粒雷诺数），其定义为：uudppRe（19.2.3）曳力系数DC可采用如下的表达式：ReRe321aaaCD（19.2.4）对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，上式中的321,,aaa为常数［MorsiandAlexander[163]］。DC也可采用如下的表达式：19.5离散相与连续相间的耦合当计算颗粒的轨道时，FLUENT跟踪计算颗粒沿轨道的热量、质量、动量的得到与损失，这些物理量可作用于随后的连续相的计算中去。于是，在连续相影响离散相的同时，用户也可以考虑离散相对连续相的作用。交替求解离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛（二者计算解不再变化）为止，这样，就实现了双向耦合计算。图19.5.1示意了两相之间的热量、质量与动量间的交换。19.6离散相模型使用概述下面简要叙述涉及到离散相的设定、计算步骤。细节请参阅19.7-19.13。这里只介绍涉及到离散相模型的相关步骤。若要了解与离散相耦合计算时所涉及到的其它模型中所要求的输入信息，请参阅与那些模型相关的部分。1按19.7节所叙述的方法激活任一与离散相相关的模型。2若使用非稳态颗粒跟踪模型，请按19.8节所叙述的方法定义非稳态参数3按19.9节所叙述的方法设定初始条件4按19.10节所叙述的方法设定边界条件5按19.11节所叙述的方法设定介质属性6按19.8节所叙述的方法查看结果19.7离散相模型选项这一节介绍FLUENT中可选的离散相模型的使用方法。在离散相面板（DiscretePhaseModel）里可激活下述的所有选项。Define→Models→DiscretePhase...图表19.7.9离散相模型面板19.7.1考虑颗粒热辐射如果要考虑颗粒的热辐射效应（方程11.3-20），用户必须在离散相模型面板里激活颗粒辐射选项（ParticleRadiationInteraction）。用户还必须如19.11.2节所述的方法设定颗粒属性的其它性质（发射率、散射率）。只有选择了P1模型或离散发射模型时才具有此选项。19.7.2考虑颗粒的热泳力如果要考虑颗粒的热泳力（方程19.2-14），用户必须在离散相模型面板里激活颗粒辐射选项（ParticleRadiationInteraction）。用户还必须如19.11.2节所述的方法设定颗粒的热泳力系数缺省情况下,颗粒的传热\传质方程使用分离求解算法求解。若用户激活了CoupledHeat-MassSolution选项，FLUENT将用一个具有误差精度控制的刚性耦合的ODE（常微分方程）求解器来求解这些方程组。这样就提高了计算精度，但代价是增加了计算量。19.7.4考虑颗粒的布朗运动对于层流中的亚观粒子，用户可能希望考虑布朗运动（细节请参阅19.2.1）对颗粒轨道的影响。若希望如此，在离散相模型面板（DiscretePhaseModelpanel.）里激活布朗运动选项（BrownianMotion）即可3。当考虑布朗运动时，用户最好在DragParameters属性框里的下拉框DragLaw中选择Stokes-Cunningham曳力定律选项。19.7.5考虑颗粒的Saffman升力对于亚观粒子，用户也可以模拟由于剪切力所带来的升力（Saffman升力，细节请参阅19.2.1）对颗粒轨道的影响。若希望如此，请在DiscretePhaseModelpanel面板中激活SaffmanLiftForce选项。19.7.6监视颗粒在壁面的磨蚀／沉积可以监视颗粒所引起的壁面磨蚀／沉积速率。选择了两相间的耦合后（即激活了InteractionwithContinuousPhase选项），就可以在DiscretePhaseModelpanel激活该选项以计算磨蚀／沉积速率。一旦激活Erosion/Accretion选项后，当颗粒轨道在更新过程中，就可以计算颗粒在壁面的磨蚀／沉积速率。对每个壁面区域，用户需要在壁面边界条件面板中（细节请参阅19.10.2）设定侵入角（ImpactAngleFunction，方程19.2-62中的fa）、直径函数（方程19.2-62总的Cdp）、速度指数函数（方程19.2-62中bv的）。19.7.7颗粒曳力的选项在DragParameters属性框中的DragLaw下拉框中可以选择五种颗粒曳力定律。其中，spherical,non-spherical,Stokes-Cunningham,以及high-Mach-number曳力定律（细节请参阅19.2.1）总是可选的，但dynamic-drag定律（细节请参阅19.4.4）只有在用户计算非稳态颗粒跟踪时选择了某种液滴破碎模型之后才是可选的。请参阅19.8.2以获得详细的液滴破碎模型说明。若选择了spherical、high-Mach-number或dynamic-drag定律，那么，就不需要用户再提供其他的输入项。若选择了nonspherical定律，用户还得设定颗粒形状系数（ShapeFactor，方程19.2-7中的Ф）。若选择了Cunningham定律，用户需要设定卡宁修正系数（CunninghamCorrectionfactor方程19.2-9中的Cc）。19.7.8用户定义函数用户可以使用用户定义函数来定制离散相模型，在这些函数中可以考虑附加的体力项、修订的相间交换项（作为源项）、沿着颗粒轨道计算或积分某一标量值、计算非标准磨蚀速率。关于用户定义函数请参阅单独的UDFManual文档。DiscretePhaseModelpanel面板中，在用户定义函数属性框（User-DefinedFunctions）中，列出了BodyFor