第20章 通用多相流模型--60页 多相流数据后处理

20.通用多相流模型（GeneralMultiphaseModels）本章讨论了在FLUENT中可用的通用的多相流模型。第18章提供了多相流模型的简要介绍。第19章讨论了Lagrangian离散相模型，第21章讲述了FLUENT中的凝固和熔化模型。20.1选择通用多相流模型（ChoosingaGeneralMultiphaseModel）20.2VOF模型(VolumeofFluid(VOF)Model)20.3混合模型(MixtureModel)20.4欧拉模型(EulerianModel)20.5气穴影响(CavityEffects)20.6设置通用多相流问题(SettingUpaGeneralMultiphaseProblem)20.7通用多相流问题求解策略(SolutionStrategiesforGeneralMultiphaseProblems)20.8通用多相流问题后处理(PostprocessingforGeneralMultiphaseProblems)20.1选择通用的多相流模型（ChoosingaGeneralMultiphaseModel）正如在Section18.4中讨论过的，VOF模型适合于分层的或自由表面流，而mixture和Eulerian模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的volumefraction超过10%的情形。（流动中分散相的volumefraction小于或等于10%时可使用第19章讨论过的离散相模型）。为了在mixture模型和Eulerian模型之间作出选择，除了Section18.4中详细的指导外，你还应考虑以下几点：★如果分散相有着宽广的分布，mixture模型是最可取的。如果分散相只集中在区域的一部分，你应当使用Eulerian模型。★如果应用于你的系统的相间曳力规律是可利用的（eitherwithinFLUENTorthroughauser-definedfunction），Eulerian模型通常比mixture模型能给出更精确的结果。如果相间的曳力规律不知道或者它们应用于你的系统是有疑问的，mixture模型可能是更好的选择。★如果你想解一个需要计算付出较少的简单的问题，mixture模型可能是更好的选择，因为它比Eulerian模型要少解一部分方程。如果精度比计算付出更重要，Eulerian模型是更好的选择。但是请记住，复杂的Eulerian模型比mixture模型的计算稳定性要差。三种模型概要的讲述，包括它们各自的局限，在Sections20.1.1，20.1.2，20.1.3中给出。三种模型详细的讲述在Sections20.2,20.3和20.4中给出。20.1.1VOF模型的概述及局限(OverviewandLimitationsoftheVOFModel)概述（Overview）VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的volumefraction来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括预测，jetbreakup、流体中大泡的运动（themotionoflargebubblesinaliquid）、themotionofliquidafteradambreak和气液界面的稳态和瞬态处理（thesteadyortransienttrackingofanyliquid-gasinterface）。局限（limitations）下面的一些限制应用于FLUENT中的VOF模型：★你必须使用segregatedsolver.VOF模型不能用于coupledsolvers.★所有的控制容积必须充满单一流体相或者相的联合；VOF模型不允许在那些空的区域中没有任何类型的流体存在。★只有一相是可压缩的。2★Streamwiseperiodicflow(eitherspecifiedmassflowrateorspecifiedpressuredrop)cannotbemodeledwhentheVOFmodelisused.★SpeciesmixingandreactingflowcannotbemodeledwhentheVOFmodelisused.★大涡模拟紊流模型不能用于VOF模型。★二阶隐式的time-stepping公式不能用于VOF模型。★VOF模型不能用于无粘流。★TheshellconductionmodelforwallscannotbeusedwiththeVOFmodel.稳态和瞬态的VOF计算在FLUENT中VOF公式通常用于计算时间依赖解，但是对于只关心稳态解的问题，它也可以执行稳态计算。稳态VOF计算是敏感的只有当你的解是独立于初始时间并且对于单相有明显的流入边界。例如，由于在旋转的杯子中自由表面的形状依赖于流体的出事水平，这样的问题必须使用time-dependent公式。另一方面，渠道内顶部有空气的水的流动和分离的空气入口可以采用steady-state公式求解。20.1.2Mixture模型的概述和局限(OverviewandLimitationsoftheMixtureModel)概述混合模型是一种简化的多相流模型，它用于模拟各相有不同速度的多相流，但是假定了在短空间尺度上局部的平衡。相之间的耦合应当是很强的。它也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。混合模型可以模拟n相（fluidorparticulate）通过求解混合相的动量、连续性和能量方程，第二相的volumefraction方程，以及相对速度的代数表示。典型的应用包括沉降（sedimentation），旋风分离器（cycloneseparators），particle-ladenflowwithlowloading,以及气相容积率很低的泡状流。混合模型是Eulerian模型在几种情形下的很好替代。当存在大范围的颗粒相分布或者界面的规律未知或者它们的可靠性有疑问时，完善的多相流模型是不切实可行的。当求解变量的个数小于完善的多相流模型时，象混合模型这样简单的模型能和完善的多相流模型一样取得好的结果。局限性（limitation）下面的局限应用于混合模型在FLUENT中：★你必须使用segregatedsolver.混合模型不适合于任何coupledsolver.★只有一相是可压缩的。★Streamwiseperiodicflow(eitherspecifiedmassflowrateorspecifiedpressuredrop)cannotbemodeledwhenthemixturemodelisused.★Speciesmixingandreactingflowcannotbemodeledwhenthemixturemodelisused.★Solidificationandmeltingcannotbemodeledinconjunctionwiththemixturemodel.★大涡紊流模型不能使用在混合模型中。★Thesecond-orderimplicittime-steppingformulationcannotbeusedwiththemixturemodel.★混合模型不能用于无粘流。★Theshellconductionmodelforwallscannotbeusedwiththemixturemodel20.1.3Eulerian模型的概述和局限性（OverviewandLimitationoftheEulerianModel）概述（Overview）在FLUENT中的可以模拟多相分离流，及相间的相互作用。相可以是液体、气体、固体的几乎是任意的联合。Eulerian处理用于每一相，相比之下，Eulerian-Lagrangian处理用于离散相模型。3采用Eulerian模型，第二相的数量仅仅因为内存要求和收敛行为而受到限制。只要有足够的内存，任何数量的第二相都可以模拟。然而，对于复杂的多相流流动，你会发现你的解由于收敛性而受到限制。见Section20.7.3多相流模型的策略。FLUENT中的Eulerian多相流模型不同于FLUENT4中的Eluerian模型，在FLUENT4中液-液和液-固（granular）多相流动没有全局的差别。颗粒流是一种简单的流动，它涉及到至少有一相被指定为颗粒相。FLUENT解是基于以下的：★单一的压力是被各相共享的。★动量和连续性方程是对每一相求解。★下面的参数对颗粒相是有效的：（1）颗粒温度（固体波动的能量）是对每一固体相计算的。这是基于代数关系的。（2）固体相的剪切和可视粘性是把分子运动论用于颗粒流而获得的。摩擦粘性也是有效的。★几相间的曳力系数函数是有效的，它们适合于不同类型的多相流系。（你也可以通过用户定义函数修改相间的曳力系数，asdescribedintheseparateUDFManual）。★所有的紊流模型都是有效的，可以用于所有相或者混合相。局限性（Limitations）除了以下的限制外，在FLUENT中所有其他的可利用特性都可以在Eulerian多相流模型中使用：★只有模型能用于紊流。★颗粒跟踪（使用Lagrangian分散相模型）仅与主相相互作用。★Streamwiseperiodicflow(eitherspecifiedmassflowrateorspecifiedpressuredrop)cannotbemodeledwhentheEulerianmodelisused.★压缩流动是不允许的。★无粘流是不允许的。★Thesecond-orderimplicittime-steppingformulationcannotbeusedwiththeEulerianmodel.★Speciestransportandreactionsarenotallowed.★Heattransfercannotbemodeled.★Theonlytypeofmasstransferbetweenphasesthatisallowediscavitation;evaporation,condensation,etc.arenotallowed.稳定性和收敛性（StabilityandConvergence）求解多相流系统的过程本来是困难的，你会遇到稳定性和收敛性的问题，尽管现在的算法比FLUENT4中用的更稳定了。如果要求解time-dependent问题，并且patchedfields用于初始条件，建议你采用较小的时间步长迭代几步，至少要比流动的特性时间小一个数量级。在迭代几步后你可以增加时间步长的大小。对稳态问题建议你开始时为volumefraction用较小的欠松弛因子。非混合流体的分层流动应采用VOF模型求解（seeSection20.2）。一些涉及到小volumefractions问题用Lagrangian离散相模型求解更有效（seeChapter19）。如果在求解和设置过程中小心些，许多稳定性和收敛性的问题可以减到最小（seeSection20.7.3）20.2VOF模型（VolumeofFluid(OVF)Model）VOF公式依靠的是两种或多种流体（或相）没有互相穿插（interpenetrating）这一事实。对你增加到模型里的每一附加相，就引进一个变量：即计算单元里的相的容积比4率（thevolumefractionofthephase）。在每个控制容积内，所有相的volumefraction的和为1。所有变量及其属性的区域被各相共享并且代表了容积平均值（volume-averagedvalues）,只要每一相的容积比率在每一位置是可知的。这样，在任何给定单元内的变量及其属性或者纯粹代表了一相，或者代表了相的混合，这取决于容积比率值。换句话说，在单元中，如果第q相流体的容积比率记为q，那么下面的三个条件是可能的：★0q：第q相流体在单元中是空的。★1q：第q相流体在单元中是充满的。★10q