多相流模型.

多相流模型FLUENT入门培训IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006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:–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）•液体由原相（primary）和次相的混合相（secondary）组成–原相(primary)可以认为是连续介质–次相(secondary)认为是分散在原相中–可能有很多混合相以不同的大小分布在不同的位置•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义所有成分的流动。PrimaryPhaseSecondaryPhaseIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006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形式的一些流动参数:–流动域•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成正比)–多相湍流模型–在颗粒流动中，可以估计出•颗粒体积填充量•Stokes数IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006多相流的各种形式–气泡流－连续液体介质中的离散气泡，例如：减震器，蒸发器，喷射装置。–液滴流－连续气体介质中的离散液滴，例如：喷雾器，燃烧室–活塞流－大的气泡在连续液体中–层流/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–粒子流－连续液体中的固体颗粒，例如：旋转分离器，空气清新器，吸尘器，尘埃环境流–流动层－流动层反应堆–泥浆流–液体中的质点流，固体悬浮液，沉淀，和水力输运Gas/LiquidLiquid/LiquidGas/SolidLiquid/SolidSlugFlowBubbly,Droplet,orParticle-LadenFlowStratified/Free-SurfaceFlowPneumaticTransport,Hydrotransport,orSlurryFlowSedimentationFluidizedBedIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006填充体积和微粒•填充体积–分散型或者密集型–这个和混合相（secondaryphase）的体积分数有关–分散型(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。密集型–散布率和连续相惯量couplingwaytwo1,couplingwayone,1contcontpartpartncell/domaitheofVolumencell/domaiainphasetheofVolumeFractionVolumeprimaryVcellVsecondaryVIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006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。•如今，单相湍流模型（例如k–ε和RSM）只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湍流模型。•如果相离散而且密度比例为1，或者颗粒分布是分散性，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，或者使用“粒子成分修正”模型。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006Stokes数•系统载入媒介粒子时，根据Stokes数选择合适的模型。–Stokes数(St)是粒子(分散内相)时间松弛系数(τd)和流动特征时间比例(τc)的比值。其中.，–D和U是问题中的特征长度和速度标量。–如果St1,粒子流动将会跟随流场流动。–如果St1,粒子流动独立于流场流动。cdStcdddd182UDcIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006混合物质相•在FLUENT中所有的混合模型，任何相都可以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。•可以建立不同类的反应(属于不同相中反应物和产物间的反应).–这个意味着不同类反应将会导致界面间的质量传递。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006FLUENT中的混合模型•粒子流模型–离散相模型(DPM)–混合相模型–欧拉混合多相流模型•层流模型–VOF模型DefineModelsMultiphase…DefinePhases…IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006离散相模型IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006离散相模型(DPM)•拉格朗日计算方法下粒子/液滴/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。–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。–可以使用随机轨迹或者“粒子云团”来建立湍流散布模型。•几种有效的子模型方法:–散布相的加热/冷却–流体液滴的汽化和蒸发–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–腐蚀/衍生IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006DPM模型的适用条件•流域:气泡流,液滴流,粒子流•填充体积:必须是分散型(体积率12%)•填充粒子:少量到适中•建立湍流模型:相之间的弱结合和强结合•Stokes数:所有Stokes数•案例–气旋–喷雾干燥器–粒子的分离和分类–浮质散布–液体燃料–媒的燃烧IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006DPM案例–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。PathLinesIndicatingtheGasFlowFieldAirandmethaneinletsCenterlineforparticleinjectionsOutletIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006喷雾干燥器仿真(2)ContoursofEvaporatedWaterStochasticParticleTrajectoriesforDifferentInitialDiametersInitialparticleDiameter:2mm1.1mm0.2mmIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006欧拉多相模型IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006欧拉多相模型•欧拉多相模型是一种平均N-S方程，可以计算任意粒子和连续相物质。•结果是每相守恒方程的集合(连续相+N种粒子媒介)。•两相同时共存:每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率等）＋分界面项。•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，机械上的（相间的速度差分），热上的（温度差分）。•加上模型多种多样（湍流模型等）。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006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面附加项–粒子速度变化强度决定这些项(粒状“粘性”,“压力”等)的大小。–动能和粒子的速度变化表现为“假热（pseudo-thermal）”或者粒状温度。–考虑进粒状项的不可伸缩性。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006欧拉模型的适用条件•流域气泡流,液滴流,泥浆流,流动层,粒子流•填充体积稀释密度•填充粒子低浓度到高浓度•湍流模型相间的弱结合和强结合•Stokes数所有•案例–高浓度粒子载流–泥浆流–沉淀–水力运输–流动层–冒口–填充层反应堆IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006欧拉模型案例–三维气泡柱Iso-SurfaceofGasVolumeFraction=0.175LiquidVelocityVectorsz=5cmz=10cmz=15cmz=20cmIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006欧拉模型案例–循环流动层ContoursofSolidVolumeFractionIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006CourtesyofFullerCompany混合模型IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006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St1的情况下。这也就表示分离的相不能使用混合模型来建立。–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。•对气穴现象非常有效的子模型(详细请参见附录).IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3December2006混合模型适用条件•流域:气泡,液滴和泥浆流•体积载荷:分散适当密度•粒子载荷:弱到中等•湍流模型:相之间的弱作用•Stokes数:St1•案例–水力漩流器–气泡柱状反应堆–固体悬浮液–喷射气流