82ANSYS-CFD-Multiphase-多物理场耦合分析

©2011ANSYS,Inc.March7,20201Release14.0Lecture6ANSYSCFDMultiphaseIntroductiontoANSYDCFD©2011ANSYS,Inc.March7,20202Release14.0MultiphaseinANSYSCFXIntroductiontoANSYDCFD©2011ANSYS,Inc.March7,20203Release14.0MultiphaseApplications•ChemicalandProcessIndustry–Gascleaning–Fluidizedbedreactors–Bubblecolumns–Polymerproduction–Mixers–Dryers•PowerGeneration–Dropletcombustion–Coalcombustion–Condensation&boiling–Fuelcells–Cavitation•OilandGas–Oilwells–Pipelines•Environment–Fog–Rain–Erosion–Emission•Biomedical–Bloodflows–Eyes–Lungs©2011ANSYS,Inc.March7,20204Release14.0ExamplesofMultiphaseFlows•HorizontalBubbleReactor(BubblyFlow)©2011ANSYS,Inc.March7,20205Release14.0ExamplesofMultiphaseFlows•Cavitation(PhaseChange)©2011ANSYS,Inc.March7,20206Release14.0•FreeSurfaceFlow(DamBreak)ExamplesofMultiphaseFlows©2011ANSYS,Inc.March7,20207Release14.0ExamplesofMultiphaseFlows•InjectionandBreakupofLiquidDropletsfromaNozzle©2011ANSYS,Inc.March7,20208Release14.0•多相流模拟指.–含有超过一种流体–每种流体由其自有流场变量描述(u,v,w,p,r,T)•相或流体之间在微观层面上是混合的.混合尺度小雨求解尺度,但大于分子尺度.•在微尺度(分子)上的混合用质量分数的方法模拟(多组分流方法).MultiphaseFlows©2011ANSYS,Inc.March7,20209Release14.0•一相是离散粒子(discreteparticles),液滴(droplets),或空泡(bubbles)散布在连续相中•例如:–雨:air+water(dropletflow)–软饮料:Liquid+bubbles(bubblyflow)–泥浆:Water+sand(particulateflow)–含尘空气:(particulateflow)–一液体里含有不能融合的另一种液滴,如.醋里的油滴.•若在空间上不连续,则该相为离散相.否则为连续相.•允许大的密度差存在(rc/rd=1000,rc/rd=10-3)•允许大差异的速度场.•通常的例子如空泡塔器(bubblecolumns)和流化床(fluidizedbeds).Continuous-DispersedMultiphase©2011ANSYS,Inc.March7,202010Release14.0•例子–两个连续相–浇模(Moldfilling)–溃坝(Dambreak)–注油(Fillingofagasolinetank)–液面晃动(Sloshingofasurfaceinacontainer)–明渠流动(Openflowinachannel)–处理方法:homogeneous,相和相之间分享同样的速度和场变量(volumefraction除外）FreeSurfaceFlows©2011ANSYS,Inc.March7,202011Release14.0DifferentMultiphaseFlowRegimes•多相流(MPF)没有一个统一模型!•右图中的多相流在气体流量逐渐增加的情况下，从左到右有在连续相中分布均匀的空泡流,到节涌流(slugflow,又名活塞流),到环状流(annularflow).•模拟对不同区域(regimes)相间相互作用的方法,(draglaws,interfacialarea,etc.)可能大不相同•模型的选择,经验很重要!Gas-LiquidFlowinaVerticalPipe©2011ANSYS,Inc.March7,202012Release14.0多相流模拟的两个基本方法:•Eulerian-Eulerian–两相之间连续的相互作用.假定相由流体计算域流出.–一般来说,每个相的体分数和流场变量单独求解.–每个Euleriandispersedphase具有单一直径的特征.用标准的欧拉方法模拟三种不同大小的空气泡泡在水中的分布情况,需要四相的欧拉方法进行计算•Eulerian-Lagrangian–在这个方法中,以追踪一定数量通过流体域的有代表性粒子的离散轨迹的方法进行模拟.可轻松获得粒子大小(particlesizes)的分布.–在离散相粒子体分数较小时,Lagrangian方法忽略粒子-粒子之间的相互作用.ModelingApproaches©2011ANSYS,Inc.March7,202013Release14.0多相流中的物理问题•相关物理现象•浮力(Buoyancy)•相间拽力(Interphasedrag)•相间质量传输(Interphasemasstransfer)•表面张力(Surfacetension)•粒子-粒子相互作用(Particle-particleinteractions)•破碎和聚结(Breakupandcoalescence)•相间面积的模化(Modelinginterfacialarea)©2011ANSYS,Inc.March7,202014Release14.0MultiphaseFlows•多相流模拟中很多物理现象很重要,包括:–浮力(Buoyancy)–相间拽力或动量交换(Interphasedragorexchangeofmomentum)–相间质量或组分交换(Interphaseexchangeofmassorspecies)–表面张力(Surfacetension)–离散相粒子-粒子之间的作用(Dispersedphaseparticle-particleinteractions)–离散相的破碎和/或聚结(Breakupand/orcoalescenceofdispersedphases)–湍流影响(Turbulenceeffects)–相间面积的模化(Modelinginterfacialarea)•对一些多相流问题重要的物理现象,对其他多相流问题不一定重要.特别问题要特别对待.©2011ANSYS,Inc.March7,202015Release14.0Buoyancy•在所有流动中都含有重力的影响,在当无密度梯度流动中(如.常密度的不可压流体),重力在压力梯度上的影响通过以大小相等方向相反的静压梯度的方法平衡.具体到动量守恒方程上,有:LHS=rg-p•对gas-solid和gas-liquid多相流,相间的密度差可以达到1000倍.对solid-liquid和liquid-liquid多相流,相间密度差稍小,但是浮力项依然很重要.•对很多多相流问题,浮力是必须要考虑的.©2011ANSYS,Inc.March7,202016Release14.0ModelingBuoyancyinANSYSCFX•为了避免动量方程中出现两个大的且方向相反的两项(会增加元整误差),引入浮力参考密度并场求解对应修正压力场:rg-p=(r-r0)g-p’wherep’=p-r0(g.x)当激活浮力选项,这时就必须指定参考密度.对多相流问题,参考密度即是其中一相的密度.©2011ANSYS,Inc.March7,202017Release14.0InterphaseDrag•类似于苏打饮料瓶内气泡在流体内的上升:•为了求解两相的动量方程,需要对相间的拽力进行表达.•气泡通过液体的上升.上升速度不同,相间拽力或动量转化就不相同:–气泡由液体的作用速度变慢.–液体由气泡的作用速度加快.©2011ANSYS,Inc.March7,202018Release14.0InterphaseDrag•离散相粒子/液滴/空泡与连续相间的拽力,取决于离散相的大小和形状、流体计算域和流体性质.•多数拽力经验系数来源于球形实体.•固体粒子的大小和形状不随流动条件改变而变化.•随流体力的变化,液滴和空泡可以变形,可以破碎或融合成更大的液滴或空泡.©2011ANSYS,Inc.March7,202019Release14.0•Smallbubbles-spherical•Largerbubbles-ellipsoidalDistortedDropletsandBubbles•Asbubblesizeincreases,sphericalcapsmaybeformed•Thedragrelationshipsareverydifferentforthedifferentbubbleshapes!©2011ANSYS,Inc.March7,202020Release14.0MotionofDistortedBubbles•在椭球区域或变形区域,液滴或空泡以螺旋形路径上升©2011ANSYS,Inc.March7,202021Release14.0DragCoefficient•对单个粒子而言,拽力与流体和颗粒间的相对速度有关,以拽力系数表示CD:r12rrDDfpFCAUU42ppdA-rfpUUU•通常来说,拽力系数减少粒子雷诺数(particleReynoldsnumber):确切的关系与相的形态和流动属性有关.大多数情况下,可援引经验系数CD.rRefrppfUd©2011ANSYS,Inc.March7,202022Release14.0InterphaseMassTransfer•相间的质量转化出现在:–由于热或局部压力的影响一个相的部分状态发生变化,如.•沸腾boiling•焊接melting•凝固freezing•升华sublimation•凝结condensation•蒸发evaporation•空化cavitation……–组分传输是在多组分流中从一个相扩散到另个相处.©2011ANSYS,Inc.March7,202023Release14.0ExamplesofBoiling©2011ANSYS,Inc.March7,202024Release14.0ExamplesofCondensation©2011ANSYS,Inc.March7,202025Release14.0CavitationExamplesandEffects©2011ANSYS,Inc.March7,202026Release14.0©2011ANSYS,Inc.March7,202027Release14.0©2011ANSYS,Inc.March7,202028Release14.0MassTransferModels•模化相间的质量变化有两种方法.如果传递非常快速而且不关心过程细节,可以假定两相始终处于热动力平衡状态(thermodynamicequilibrium).对有限速率的质量传递,可做真实的多相流分析,两相并非始终处于热动力平衡状态.–Equilibriumorsingle-phasemulticomponentapproach:•假定质量传输过程快速•代数法确定体分数(能量方程)•将‘Wetst