ANSYS-R19.0-FLUENT-多相流改进

1©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018ANSYSR19.0FLUENT多相流改进井文明/流体工程师ANSYS中国2©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018R19.0多相流新功能•欧拉多相流模型◦多相流数值改进◦传质/传热的拓展◦多孔介质和油层模拟◦多相流的NITA方法◦多相流与重叠网格•拉格朗日和壁膜模型◦VOF-to-DPM模型◦侵蚀动网格模型◦选择性催化还原沉积预测◦拉格朗日壁膜模型：鲁棒性提升◦DPM可用性提升◦欧拉壁膜模型：热相模型拓展在此只讨论蓝色的功能3©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018欧拉多相流：数值改进•对所有相特定方程体积分数进行一致的截断处理◦欧拉/欧拉：动量方程，能量方程，湍流方程，组分方程，UDS◦Mixture多相流和VOF：组分方程，UDS•局部残差的缩放•Mixture多相流的尖锐/分散体积分数离散格式（R19）•变时间步长方法可应用于所有多相流模型（R19）4©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018多相流计算的局部残差缩放•CFX在几个版本前引入了局部残差缩放的方法用来衡量计算收敛•对多相流模型的测试案例分析以解决存在的问题全局局部-均方根-原方法局部-均方根-新方法5©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018Mixture多相流的尖锐/分散离散格式可压缩二阶迎风一阶迎风-将可压缩/高精度界面捕捉格式拓展到mixture多相流模型-既可应用于连续相间的尖锐界面，又可用于分散相的扩散界面-界面建模选项-分区离散：对不同区域使用不同格式-分相离散：对不同相对使用不同格式R18R196©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018Mixture多相流的尖锐/分散离散格式分离器水的体积分数固体体积分数水和固体水和空气：可压缩格式固体和其它相：一阶迎风/二阶迎风沸腾蒸汽和其它相：一阶迎风/二阶迎风水和空气：可压缩格式空化7©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018变时间步长方法拓展到多相流模型•变时间步长方法（基于库朗特数）✓拓展到所有的多相流模型✓支持隐式/显式体积分数计算✓有助于控制启动及运算中的不稳定问题✓是一个估算时间步长尺寸的工具•进一步的改进：✓增加初始时间步长来解决重启问题✓优化时间步长改变因数的默认值固定时间步长共10000步可变时间步长共584步总模拟时长5秒8©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018传质/传热改进•组分质量输运的改进(R18.1,R18.2,R19)◦支持多个组分输运机制◦拓展到无滑移的mixture多相流模型（R19）•质量输运的替代传热模型（R19）•界面面积密度框架（R19）◦适用于欧拉/mixture多相流模型（适用于所有相对）/之前只支持eulerian◦增加了基于面积密度方法的体积分数梯度方法•改进了相间传热•空化模型的改进(R18.2,R19)◦支持多个质量输运机制◦支持空化模型+组分质量输运◦明渠流动支持三相流动◦泡沫数密度默认值更改为1E11（R19）9©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018组分质量输运改进•组分输运机制拓展到多相流模拟中。之前只有两相间使用一个质量输运机制•多组分质量输运机制可应用于如下属性◦蒸汽压力◦Henry系数等•组分质量输运的平衡模型被移除◦双阻模型为默认模型10©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018组分质量输运的改进•由于基础缺陷，移除了默认的平衡模型•双阻模型中包含了整体的质量输运系数确定•可为每相设置质量输运系数（默认）原有改进后11©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018多组分质量输运模拟•工业应用◦蒸馏◦吸收/溶解◦液-液萃取◦吸附◦烘干◦膜工艺◦非均相化学反应©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018气升式环流反应器的多组分质量输运机制模拟•O2和O3的质量输运•之前版本：将主要组分的质量输运系数应用于所有组分的机制•Fluent18.2:多组分机制与分析结果吻合较好O2O313©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018质量输运的可选传热模型现有的处理方式：-显焓中包含生成焓-没有计算潜热问题:-质量输运/反应计算出现问题，由于显焓的定义冲突-一些使用欧拉多相流的算例，当包含传热时，计算结果非常不好可选的处理方式:-显焓中不包含生成焓-计算潜热-使用后处理的方式将潜热计算包含在能量平衡计算中好处:-解决现有处理方式的问题现状:-Mixture多相流支持使用TUI方式-增加了潜热的后处理14©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018相间面密度框架的改进-相间面积密度可用于mixture/drift-flux模型-之前只有欧拉多相流模型可用-适用于所有的相对组合-之前只适用于连续-分散系统-引入了基于相间面密度的梯度方法欧拉多相流Mixture多相流/drift-flux模型15©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018Mixture多相流+组分质量输运•支持纯扩散驱动的质量输运•之前只有欧拉和drift-flux模型支持•支持mixture多相流输入液滴直径（新）•支持直径驱动的面密度（ia_symmetric)16©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018传质/传热：空化模型的改进•空化模型的改进（R18.2，R19）◦支持多组分质量输运机制◦允许空化模型和组分质量输运组合计算◦明渠流动支持3相流动◦将Schnerr-Sauer空化模型的气泡数密度默认值更改为1E1117©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018空化模型的改进•SchnerrSauer模型的改进◦移除了之前版本关于气泡数密度、气流直径、成核位置体积分数、凝结系数、最大蒸汽压力等的硬编码◦允许用户控制和优化◦将气泡数密度默认值更改为1E11（R19）之前版本中有硬编码的间接约束之前使用的数值：对2D:~1e9对3D:~2e12新的默认值=1e1118©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018明渠流动+空化：支持3相流动•明渠流动（目前）只支持两层流动•在以下假设基础上，可支持3相流动◦满足两层流动假设◦空化为局部现象并且远离边界水和空气蒸气19©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018有多组分质量输运的空化模拟20©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018验证算例：两种液体混合物，对应不同的蒸气压力液体-1(25%):蒸气压=3540Pa液体-2(75%):蒸气压=10000Pa液体1体积分数液体1体积分数蒸气1体积分数蒸气1体积分数21©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018空化模型+组分质量输运AFT团队正在进一步测试22©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018AFT使用的空化算例•正移位泵•使用重叠网格的空化•考虑热影响的空化•收敛性及鲁棒性改进23©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018正位移泵中的空化•业界长期使用ANSYS/FLUENT来模拟正位移泵•客户使用特定的齿轮，齿轮转子和活塞泵模型进行气蚀测试。•随着R19空化模型的改进，齿轮泵和活塞泵的流量/角速度曲线和填充速度预测得到了显著提高。泄露空化/蒸气的体积分数质量流量的周期性变化DischargeAngularvelocityFillspeed24©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018多孔介质：支持毛细管压力•在R18中，在多孔介质区域增加了Corey模型用于计算两相的相对渗透率•任何相对都可以选择为浸润或者非浸润典型的应用于油层模拟•R19新增了毛细管压力模型以考虑毛细管中毛细管力的影响25©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018多孔介质：支持毛细管压力•毛细管压力模型以考虑毛细管中毛细管力的影响•可用的模型：◦Brooks/Corey◦vanGenuchten◦LeverettJfunction◦Skjaeveland•对每个流体域，可以选择不同的模型和参数•每相都可以添加详细参数26©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018毛细管压力-重力平衡：初步结果水体积分数云图水相速度矢量重力方向出口,p=0壁面vof=0.5Vof=0.01对称面1m毛细管压力将水向反重力方向拉动无毛细管压力0.5m毛细管压力影响27©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018多相流-非迭代时间推进法(NITA)•多相流模型NITA•算法改进（R18.x)•升力和壁面润滑力的鲁棒性改进（R19，隐藏）•在动量子迭代间相对速度的显式处理•默认启用•可用（rpsetvar‘mp/nita/mom-force-expl?#f）禁用此功能•体积力加权的压力插值作为TUI的选项（R19）•用solvesetmultiphase-numerics/nita-controls/face-pressure-options调用28©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018多相流NITA评估鲁棒性问题:(需要低松驰因子/时间步长)-MRF-固定速度-脱气边界条件-自适应时间步长-高源项(需要更多评估)-差网格(需要更多评估)表现较好：-稀释流动-粒状流动-多孔介质-周期流动-Multi-FluidVOF(ExplicitVOF)-表面张力模型未测试:-可压缩流动-传质/传质-反应-动网格目前不支持-PopulationBalance-相间面积集中-DDPM29©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018欧拉/欧拉多相流NITA：基准研究求解时间(s)(5000时间步)NITAITA立管案例(粒状流动)13142642求解时间(s)(1000时间步)NITAITA多孔介质(Corey模型)142282NITAITA体积分数云图30©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018Multi-FluidVOF和NITA:基准研究NITAITAITANITA求解时间(s)(1000时间步)NITAITA大坝崩溃遇到障碍(Multi-FluidVOF)260321求解时间(s)(1000时间步)NITAITA泡沫在泥浆中上午(Multi-FluidVOF,粒状,3-相流动)1512568731©2018ANSYS,Inc.April25,2018ANSYS新品发布会和技术巡展2018重叠网格+多相流拓展•