adv-multiphase-R14.0-L01-overview

北京派克峰文化传播中心成都(02)期多相流体力学数值模拟计算技术与应用教材讲义Lecture1•多相流是两种或两种以上不同相的流体混合在一起的流动,在日常生活和工业领域中广泛存在–e.g.石油、化工、电力、机械•是在烃化物生产、石油精炼、选矿、发电和环境工程等方向多项流的概念3自然界的物质存在固-液-气状态,多相流可以由这三种形态组合而成•在CFD分析中,多项流的定义更为广义:相可以是同一物质形态下由不同材料构成的物体,只要各相之间存在特定的相互作用关系,均可认为是多相流相的概念GasLiquidSolid4–多相流的组成可包括–气/液流–气/固流–液/液流，液/固流–气/液/固流–……相的概念Gas-LiquidGas-SolidLiquid-SolidLiquid-Liquid5•相对于连续相（液体或气体）来说颗粒（或液滴）的尺度小很多•因此，这些颗粒物被称之为离散相•离散相的体积分数可表示为–也可称之为孔隙率•同样，连续相的体积分数可表示为•各相的体积分数之和恒等于1VoidageFraction（颗粒体积分数）dVddVdVcVVdVVdddddlim0VVcVVcddddlim01dc6•粒子响应时间是多相流的一个重要性质•粒子响应时间的含义为：颗粒（或液滴）受连续相扰动的反应能力•根据斯托克斯理论（Re1），粒子响应时间可表示为：ParticleResponseTime（粒子响应时间）qppvd182ParticleDiameter(μm)ResponseTime(S)0.010.11.010.01007.0x10-99.0x10-83.5x10-63.1x10-43.1x10-27•粒子响应时间的另一表征量为斯托克斯数•斯托克斯数被定义为颗粒的响应时间与主流体的特征时间之比•斯托克斯数可用于衡量颗粒相和连续相的速度关系，其大小的表征为：–St1时,颗粒相跟随主流相运动•颗粒与主流相处于均衡状态–St=1时,颗粒相的运动会明显作用于主流相–St1时,主流相的流动对颗粒相作用很微弱ParticleStokeNumber颗粒斯托克斯数DvSt8•稀薄流：颗粒相中的每个颗粒（或液滴）均独立运动，它们的运动受拖曳力和浮升力影响•稠密流：颗粒相中的颗粒（或液滴）运动主要受碰撞影响•相互作用斯托克斯数：颗粒响应时间和碰撞时间的比值-ifSt1,粒子相仅受弱的相间作用影响（颗粒间几乎相互独立）–IfSt~1相受相间作用影响，相互作用不可忽略–IfSt1粒子相受强的相间作用影响（颗粒与颗粒间有强的碰撞摩擦等作用）DiluteandDenseFlow(稀薄流和稠密流）Stcvcpppd182rPCvdn219•颗粒相与包围其的连续相之间的相互作用形式是决定多项流模型选取的决定性因素：–One-waycoupling:–粒子相受连续相的影响，但反之则无明显影响–Two-waycoupling:–粒子相受连续相影响，同时粒子相也对连续相有作用–Three-waycoupling:•粒子相自身存在相互影响（颗粒碰撞…）–Four-waycoupling:•粒子相自身受接触动力学影响（粒子融合、破碎）CouplingRegimes（相间耦合方式）FundamentalDefinitions:多项流的流动形态•多相流动可依据相的组成进行分类：–气-液流或液-液流（均为连续相）•bubblyflow:discretegaseousorfluidbubblesinacontinuousfluid.•dropletflow:discretefluiddropletsinacontinuousgas.•slugflow:largebubblesinacontinuousfluid.•Stratified/free-surfaceflow:immisciblefluidsseparatedbyaclearly-definedinterface.–气-固流（存在离散相）•particle-ladenflow:discretesolidparticlesinacontinuousgas•pneumatictransport:•fluidizedbeds:–液-固流（存在离散相）•slurryflow:transportofparticlesinliquids.•hydro-transport:densely-distributedsolidparticlesinacontinuousliquid.–三相流•gas-liquid-solidflows.多项流的流动形态•气泡流:absorbers,aeration,airliftpumps,cavitation,evaporators,flotation,scrubbers•液滴流:absorbers,atomizers,combustors,cryogenicpumping,dryers,evaporation,gascooling,scrubbers•柱塞流:largebubblemotioninpipesortanks.•分层流:sloshinginoffshoreseparatordevices,boilingandcondensationinnuclearreactors•颗粒流:cycloneseparators,airclassifiers,dustcollectors,anddust-ladenenvironmentalflows•气动输送:transportofcement,grains,andmetalpowders•流化床:fluidizedbedreactors,circulatingfluidizedbeds•泥浆流:slurrytransport,mineralprocessing•水力输运:mineralprocessing,biomedicalandphysiochemicalfluidsystems•沉淀:mineralprocessingFundamentalDefinitions:多项流的流动形态泡状流柱塞流搅浑流环状流稀疏环状流垂直管中的气液两相流DropsDrop–AnnularAnnularSlug–AnnularSlugBubble–SlugBubbleLiquid1100.11001101001000GasFlux(ft/sec)LiquidFlux(ft/sec)Drop–AnnularAnnularBubble–SlugSlugBubble注意事项•在分析之前，需要用户判断流动的特性：–流形–相间是离散（存在颗粒相）的还是分层（均为连续相）的–次只模拟一种流动形态–需要同时模拟多种流态时必须关注软件中的模型是否支持–稀薄or稠密–离散相尺度–判断颗粒间是否存在相互影响DiscreteParticleModel(DPM)离散相模型•DPM模型使用拉格朗日参考系来求解离散相•流体（主相）被处理为连续相，离散相被处理为大量粒子团的轨迹计算。•颗粒（或液滴）的运动轨迹是独立于连续相进行计算的•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•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。•不适合模拟液-液混合、流化床等第二相体积不可忽略的问题•模型假设：离散相的体积分数足够低（10%）–但质量分数无限制•DEM模型用于模拟颗粒相（如沙粒）内部的相互作用（应力、位移等）•假设颗粒相为刚体球的集合，从而模拟颗粒之间的相互作用•颗粒间的相互作用基于软球理论–CundallandStack(1979)–Spring-dashpotmodel弹簧-阻尼模型–Frictionmodel摩擦模型•弹簧模型能够考虑颗粒间的斥力–由材料的弹性系数决定•阻尼模型考虑了粒子动能的非守恒性•摩擦模型考虑了粒子间的相对运动DiscreteElementMethod(DEM)离散颗粒模型EulerianApproach•欧拉-欧拉方法中不同的相被处理成互相贯穿的连续介质•由于一种相所占的体积无法再被其他相占有，一个确定的流场位置只存在单独的一相，各相的体积率之和等于1。•从各相的守恒方程可以推导出一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系，从而能使上述方程封闭。EulerianModels:VOF•三种欧拉-欧拉多项流模型:–volumeoffluid(VOF),mixturemodel,Eulerianmodel.•在欧拉方法的基础上使用界面捕捉技术，主要被用于捕捉多个流体相间的交界面•在整个计算域内对不互溶流体求解同一个动量方程组，在每个网格单元内求解每种流体的体积分数来模拟多相流。•VOF模型主要适用于下述流动情况：分层流、自由表面流、灌注、晃动、大尺度气泡流、溃坝、液滴破碎（表面张力）…EulerianModels:MixtureModel•Mixture模型适用于两种及两种以上的流体构成的多相流•各相均按连续流体处理•Mixture模型求解混合物的动量方程，根据各相的含量推导出各相的相对速度•Mixture模型能够求解包含低体积含量的流体颗粒（气泡、液滴等）的多项流问题•当需要求解相间为均匀流动的问题时（各相间无相对速度），可在Mixture模型中关闭relativevelocities选项EulerianModels:Eulerian-Eulerian•Eulerian模型是Fluent里提供的功能最全面，同时也是最复杂的多项流模型•Eulerian模型对每一相的控制方程都是独立求解（相对于Mixture模型）•相之间的相互耦合由各相的类型决定，每一相的控制方程都与压力和相间交换系数决定–对于颗粒流：相间作用基于分子运动论•Eulerian模型可被用于气泡流、气泡浮升、液滴悬浮、流化床等DenseDiscretePhaseModel•DenseDiscretePhaseModel(DDPM)模型是DPM模型和Eulerian模型耦合求解的一种方法，两个模型间依靠动量和质量守恒方程保持一致•颗粒相与连续相的作用使用分子运动论的方法计算•颗粒相与连续相之间的动量、能量、质量均可进行交换•DDPM模型的特点在于–更合理地模拟颗粒相粒径分布–更合理地模拟颗粒相与壁面的相互作用•当颗粒相的体积含量较大时，模拟的颗粒相应该在计算网格单元中占据一定的体积，而DDPM能够考虑这种情况•DDPM模型可被用于液-液混合情况、流化床等离散相的体积作用不可忽略的情况MultiphasemodelsinFluent•DispersedPhaseModel(DPM)–拉格朗日粒子、气泡、液滴•DiscreteElementMethod(DEM)–针对大颗粒运动的模拟•VolumeofFluidmodel(VOF)–模拟不相溶解的两相间的自由界面•MixtureModel–简化的欧拉模型–适用于分散相的惯性力不强的情况•EulerianModel–适用于大多数多相流情况•Densedispersedphasemodel(DDPM)–拉格朗日+欧拉方法–颗粒相的体积分数上限比DPM模型提高