多相流模型 FLUENT入门培训.ppt

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1、Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006多相流模型 FLUENT入门培训 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006简简 介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的同类物质.相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定

2、义形式相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式:具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相（例如：液体液体，油水）（例如：液体液体，油水）液体由原相（液体由原相（primary）和次相的混合相）和次相的混合相（secondary）组成）组成原相原相(primary)可以认为是连续介质可以认为是连续介质次相次相(secondary)认为是分散在认为是分散在原相中原相中可能有很多混合相以不同的大小分布可能有很多混合相以不同的大小分布在不同的位置在不同的位置相反相反,多组分流（成分输运）是一种可以用单一的速度和温度来定多组分流（成分输运）是一种

3、可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动。义所有成分的流动。Primary PhaseSecondaryPhaseIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006选择多相流模型选择多相流模型为能选择合理的模型，用户需要推理得到下列为能选择合理的模型，用户需要推理得到下列形式的一些流动参数形式的一些流动参数:流动域流动域微粒微粒(连续介质中的气泡，液滴和固体颗粒连续介质中的气泡，液滴和固体颗粒)分层分层(流体分界面的长度和域的长度成正比流体分界面的长度和域的长度成正比)多相湍流模型多相湍流模型在颗粒流动中，可以估计出在颗粒流动中，可以估计出颗

4、粒体积填充量颗粒体积填充量Stokes数数Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006多相流的各种形式多相流的各种形式气泡流连续液体介质中的离散气泡，气泡流连续液体介质中的离散气泡，例如：例如：减震器，减震器，蒸发器，蒸发器，喷射装置。喷射装置。液滴流连续气体介质中的离散液滴，液滴流连续气体介质中的离散液滴，例如例如：喷雾器，燃烧室喷雾器，燃烧室活塞流大的气泡在连续液体中活塞流大的气泡在连续液体中层流层流/自由表面流不能混合的流体有自由表面流不能混合的流体有清晰的分离面，例如：自由表面流清晰的分离面，例如：自由表面流粒子流连续液体中的固体

5、颗粒，例粒子流连续液体中的固体颗粒，例如如：旋转分离器，空气清新器，吸尘：旋转分离器，空气清新器，吸尘器，尘埃环境流器，尘埃环境流流动层流动层反应堆流动层流动层反应堆泥浆流泥浆流 液体中的质点流，固体悬浮液体中的质点流，固体悬浮液，沉淀，和水力输运液，沉淀，和水力输运Gas/LiquidLiquid/LiquidGas/SolidLiquid/SolidSlug FlowBubbly,Droplet,orParticle-Laden FlowStratified/Free-Surface FlowPneumatic Transport,Hydrotransport,or Slurry Flow

6、SedimentationFluidized BedIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006填充体积和微粒填充体积和微粒填充体积填充体积 分散型或者密集型分散型或者密集型这个和混合相（这个和混合相（secondary phase）的体积分数有关）的体积分数有关 分散型分散型(10%),内部颗粒间的距离大于颗粒直径两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。倍，因此，颗粒间的相互作用可以忽略。u密集型 散布率和连续相惯量Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2

7、006多相流中的湍流模型多相流中的湍流模型多相流中的湍流模型非常具有挑战性。多相流中的湍流模型非常具有挑战性。如今，单相湍流模型（例如如今，单相湍流模型（例如k 和和 RSM）只）只是用在基础相的湍流模型计算中。是用在基础相的湍流模型计算中。考虑到混合相，湍流方程需要更多的项来建立考虑到混合相，湍流方程需要更多的项来建立湍流模型。湍流模型。如果相离散而且密度比例为如果相离散而且密度比例为1，或者颗粒分布，或者颗粒分布是分散性是分散性，混合物质便可以用单相模型来表达。，混合物质便可以用单相模型来表达。其它情况时，可能依然使用单相模型，或者使其它情况时，可能依然使用单相模型，或者使用用“粒子成分修

8、正粒子成分修正”模型。模型。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Stokes数数系统载入媒介粒子时，系统载入媒介粒子时，根据根据Stokes数选择合适的模型。数选择合适的模型。Stokes数数(St)是粒子是粒子(分散内相分散内相)时间松弛系数时间松弛系数(d)和流动特征时和流动特征时间比例间比例(c)的比值。的比值。其中其中.，D 和和 U 是问题中的特征长度和速度标量。是问题中的特征长度和速度标量。如果如果 St 1,粒子流动独立于流场流动。粒子流动独立于流场流动。Introductory FLUENT NotesFLUENT

9、 v6.3 December 2006混合物质相混合物质相在在 FLUENT中所有的混合模型中所有的混合模型，任何相都可以，任何相都可以看成是由一种材料或者由混合物质组成。看成是由一种材料或者由混合物质组成。混合相的材料定义和单相流中的定义一样。混合相的材料定义和单相流中的定义一样。可以建立不同类的反应可以建立不同类的反应(属于不同相中反应物属于不同相中反应物和产物间的反应和产物间的反应).这个意味着不同类反应将会导致界面间的质量传递。这个意味着不同类反应将会导致界面间的质量传递。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006FLUENT中

10、的混合模型中的混合模型粒子流模型粒子流模型离散相模型离散相模型(DPM)混合相模型混合相模型欧拉混合多相流模型欧拉混合多相流模型层流模型层流模型VOF模型模型DefineModelsMultiphaseDefinePhasesIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006离散相模型离散相模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006离散相模型离散相模型(DPM)拉格朗日计算方法下粒子拉格朗日计算方法下粒子/液滴液滴/气泡的轨迹。气泡的轨迹。粒子可以通过连续气体介质交换热量、质量和动量

11、。粒子可以通过连续气体介质交换热量、质量和动量。每条轨迹都是由一组初始条件相同的粒子形成。每条轨迹都是由一组初始条件相同的粒子形成。粒子与粒子间的相互作用可以忽略。粒子与粒子间的相互作用可以忽略。可以使用随机轨迹或者可以使用随机轨迹或者“粒子云团粒子云团”来建立湍流散布模型。来建立湍流散布模型。几种有效的子模型方法几种有效的子模型方法:散布相的加热散布相的加热/冷却冷却流体液滴的汽化和蒸发流体液滴的汽化和蒸发燃烧粒子的挥发演变和燃烧燃烧粒子的挥发演变和燃烧喷雾模型中液滴的分裂和融合喷雾模型中液滴的分裂和融合腐蚀腐蚀/衍生衍生Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.

12、3 December 2006DPM模型的适用条件模型的适用条件流域流域:气泡流气泡流,液滴流液滴流,粒子流粒子流填充体积填充体积:必须是分散型必须是分散型(体积率体积率 12%)填充粒子填充粒子:少量到适中少量到适中建立湍流模型建立湍流模型:相之间的弱结合和强结合相之间的弱结合和强结合Stokes数数:所有所有 Stokes数数案例案例气旋气旋喷雾干燥器喷雾干燥器粒子的分离和分类粒子的分离和分类浮质散布浮质散布液体燃料液体燃料媒的燃烧媒的燃烧Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006DPM 案例案例 喷雾干燥器仿真喷雾干燥器仿真使用使

13、用FLUENT中中DPM模型模拟仿真喷雾干模型模拟仿真喷雾干燥过程，包括液体喷燥过程，包括液体喷雾进入加热室接触干雾进入加热室接触干燥粉末时的流动，热燥粉末时的流动，热交换和质量交换。交换和质量交换。优化喷雾干燥器中的优化喷雾干燥器中的不同参数时，不同参数时，CFD仿仿真技术起到不可或缺真技术起到不可或缺的作用。的作用。Path Lines Indicating the Gas Flow FieldAir and methaneinletsCenterline forparticle injectionsOutletIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 De

14、cember 2006喷雾干燥器仿真喷雾干燥器仿真(2)Contours of Evaporated WaterStochastic Particle Trajectories for Different Initial DiametersInitial particleDiameter:2 mm1.1 mm0.2 mmIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型欧拉多相模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型欧拉多相模型欧拉多相模型是一种平均欧拉多相

15、模型是一种平均N-S方程，可以计算任意粒子方程，可以计算任意粒子和连续相物质。和连续相物质。结果是每相守恒方程的集合结果是每相守恒方程的集合(连续相连续相+N种粒子媒介种粒子媒介)。两相同时共存两相同时共存:每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率等）分界面项。度，导热率等）分界面项。分界面项包括动量（升力），热量和质量交换。这些分界面项包括动量（升力），热量和质量交换。这些方程很难收相交，因为都是些非线性的比例项，机械方程很难收相交，因为都是些非线性的比例项，机械上的（相间的速度差分），热上的（温度差分）。上的（相间的速度差分），热上的（温度差分）。加上

16、模型多种多样（湍流模型等）。加上模型多种多样（湍流模型等）。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型中的粒状选项欧拉模型中的粒状选项当含有高浓度的固体颗粒时，就会产生粒状流，粒子当含有高浓度的固体颗粒时，就会产生粒状流，粒子间的作用将时常发生。间的作用将时常发生。粒子将被相似的考虑为有一定密度，分子相互碰撞的粒子将被相似的考虑为有一定密度，分子相互碰撞的云团组成。粒子相需要考虑分子云团的概念。云团组成。粒子相需要考虑分子云团的概念。这个理论需要在连续相和粒子相的动量方程中增加表这个理论需要在连续相和粒子相的动量方程中增加表面附

17、加项面附加项粒子速度变化强度决定这些项粒子速度变化强度决定这些项(粒状粒状“粘性粘性”,“压力压力”等等)的的大小。大小。动能和粒子的速度变化表现为动能和粒子的速度变化表现为“假热（假热（pseudo-thermal）”或或者粒状温度。者粒状温度。考虑进粒状项的不可伸缩性。考虑进粒状项的不可伸缩性。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型的适用条件欧拉模型的适用条件流域流域 气泡流气泡流,液滴流液滴流,泥浆流泥浆流,流动层流动层,粒子流粒子流填充体积填充体积 稀释密度稀释密度填充粒子填充粒子 低浓度到高浓度低浓度到高浓度湍流模

18、型湍流模型 相间的弱结合和强结合相间的弱结合和强结合Stokes数数 所有所有案例案例高浓度粒子载流高浓度粒子载流泥浆流泥浆流沉淀沉淀水力运输水力运输流动层流动层冒口冒口填充层反应堆填充层反应堆Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型案例欧拉模型案例 三维气泡柱三维气泡柱Iso-Surface of Gas Volume Fraction=0.175Liquid Velocity Vectors z=5 cmz=10 cmz=15 cmz=20 cmIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 De

19、cember 2006欧拉模型案例欧拉模型案例 循环流动层循环流动层Contours of Solid Volume FractionIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Courtesy of Fuller Company混合模型混合模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型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。混合模型是一种建立多相流模型的简化欧拉方法。简化的基础是假设简化的基础是假设 Stokes数非常小数非常小(粒子和基础相的速粒子和基础相的

20、速度大小相等，方向相同度大小相等，方向相同)。解算混合动量方程（平均质量混合速度）和得出描述解算混合动量方程（平均质量混合速度）和得出描述散布相的相对速度。散布相的相对速度。界面间的物质传递和相对速度有关，这个代数关系建立在界面间的物质传递和相对速度有关，这个代数关系建立在St 1 的情况下。这也就表示分离的相不能使用混合模型来建的情况下。这也就表示分离的相不能使用混合模型来建立。立。如果需要，混合模型中同样也能纳入湍流和能量方程。如果需要，混合模型中同样也能纳入湍流和能量方程。为每个混合相解算相应的体积率输运方程。为每个混合相解算相应的体积率输运方程。对气穴现象非常有效的子模型对气穴现象非常

21、有效的子模型(详细请参见附录详细请参见附录).Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型适用条件混合模型适用条件流域流域:气泡气泡,液滴和液滴和 泥浆流泥浆流体积载荷体积载荷:分散适当密度分散适当密度粒子载荷粒子载荷:弱到中等弱到中等湍流模型湍流模型:相之间的弱作用相之间的弱作用Stokes数数:St 1,混合模型不适用，但是我们可以使用混合模型不适用，但是我们可以使用DPM或者欧拉方法。或者欧拉方法。如果如果St 1,所有模型都适用，这时就需要考虑计算速度所有模型都适用，这时就需要考虑计算速度和其它的因素。和其它的因素。减少低

22、松弛因子可以更好的解决方程相之间的强结合减少低松弛因子可以更好的解决方程相之间的强结合问题。问题。用户应该了解各种模型的优势和劣势。用户应该了解各种模型的优势和劣势。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006附录附录Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006建立离散相模型建立离散相模型(DPM)DefineModelsDiscrete PhaseDefineInjectionsDisplayParticle TracksIntroductory FLUENT NotesFLUEN

23、T v6.3 December 2006DPM 模型边界条件模型边界条件EscapeTrapReflectuWall-jetIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型方程混合模型方程解算混合物连续性方程解算混合物连续性方程解算每个混合相体积率之间的交换方程解算每个混合相体积率之间的交换方程解算混合物动量方程解算混合物动量方程混合属性的定义混合属性的定义Drift velocityIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型设置混合模型设置(1)DefineModel

24、sMultiphaseDefinePhasesIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型设置混合模型设置(2)边界条件边界条件为每个混合相设置体积率。为每个混合相设置体积率。为定义相的初始位置，在为定义相的初始位置，在初始化后，设置相的体积初始化后，设置相的体积率。率。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006气穴模型气穴模型气穴模型是模拟当本地流体压气穴模型是模拟当本地流体压力低于蒸汽压力时，气泡的形力低于蒸汽压力时，气泡的形态。态。气体是不可压缩的。气体是不可压缩的。

25、使用了质量守恒方程，来解决使用了质量守恒方程，来解决蒸汽相中蒸汽的产生和浓缩。蒸汽相中蒸汽的产生和浓缩。这些现象和当地压力，还有蒸这些现象和当地压力，还有蒸汽的饱和压力有关。（当存在汽的饱和压力有关。（当存在可压缩气体时要进行校正）可压缩气体时要进行校正）通常使用混合模型，相反便使通常使用混合模型，相反便使用用VOF模型。模型。指南中有对设置程序更加深入指南中有对设置程序更加深入的说明。的说明。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型方程欧拉多相模型方程连续方程连续方程:第第q 相的相的动量方程动量方程:内部相力交换的表达

26、式为内部相力交换的表达式为:而且而且:可以用同样的方法为第可以用同样的方法为第q相建立相建立能量方程能量方程transientconvectionpressureshearinterphaseforcesexchangeinterphase massexchangebodyexternal,lift,andvirtual mass forcesVolume fraction for the qth phaseSolids pressure term is included for granular model.Exchange coefficientIntroductory FLUENT No

27、tesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型方程欧拉多相模型方程第第q相中第相中第i种介质的多相介质传输种介质的多相介质传输同类和不同类的反应，都使用和单相中相同的设置。同类和不同类的反应，都使用和单相中相同的设置。属于不同的相中的介质可能相同，但是他们之间没有任何联系。属于不同的相中的介质可能相同，但是他们之间没有任何联系。transientconvectivediffusionhomogeneousreaction homogeneousproductionheterogeneousreactionMass fraction of species i in qth

28、phaseIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型设置欧拉模型设置DefineModelsViscousDefinePhasesIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉粒状模型设置欧拉粒状模型设置当定义混合相时，粒状选项必须当定义混合相时，粒状选项必须是有效的。是有效的。需要定义粒状的属性。需要定义粒状的属性。为更好模拟粒状流，必须选上相为更好模拟粒状流，必须选上相间作用模型。间作用模型。Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 D

29、ecember 2006VOF 模型设置模型设置DefineModelsMultiphaseDefinePhasesDefineOperating ConditionsOperating Density should be set to that of lightest phase with body forces enabled.Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006不同种类反应设置不同种类反应设置DefinePhasesIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006适应多相的

30、适应多相的UDF当多相模型被选上时，便会留出当多相模型被选上时，便会留出混合物或者单独相的属性和变量混合物或者单独相的属性和变量存储空间。存储空间。根据附加线和域数据结构的需要根据附加线和域数据结构的需要进行设置。进行设置。大体上，大体上，DEFINE 宏的类型决定宏的类型决定了线或域（混合物或者相）传递了线或域（混合物或者相）传递给给UDF的数据。的数据。C_R(cell,thread)中的中的thread 如果指向混合物，返回如果指向混合物，返回的便是混合物的密度，如果指向的便是混合物的密度，如果指向的是相，返回的便是相的密度。的是相，返回的便是相的密度。数值宏用于取回数据。数值宏用于取回数据。Mixture ThreadMixture DomainPhase 2DomainPhase 1DomainPhase 3DomainPhaseThreadInteraction DomainDomain ID=23415Domain ID