FLUENT系列资料7之DPM设置

多相流算例多相流模拟介绍在自然界和工程问题中会遇到大量的多相流动。物质一般具有气态、液态和固态三相，但是多相流系统中相的概念具有更为广泛的意义。在多项流动中，所谓的“相”可以定义为具有相同类别的物质，该类物质在所处的流动中具有特定的惯性响应并与流场相互作用。多相流动模式根据多相流系统中相的概念，按照下面的原则对多相流分成如下几类：•气-液或者液-液两相流：o气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。o液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。o活塞流动:在连续流体中的大的气泡o分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。•气-固两相流：o充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。o气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因素。最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。o流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入筒内。从床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。改变气体的流量，就会有气泡不断的出现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。•液-固两相流o泥浆流：流体中的颗粒输运。液-固两相流的基本特征不同于液体中固体颗粒的流动。在泥浆流中，Stokes数通常小于1。当Stokes数大于1时，流动成为流化（fluidization）了的液-固流动。o水力运输:在连续流体中密布着固体颗粒o沉降运动:在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质。随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不断沉降并堆积形成了淤积层，在顶部出现了澄清层，里面没有颗粒物质，在中间则是沉降层，那里的粒子仍然在沉降。在澄清层和沉降层中间，是一个清晰可辨的交界面。•三相流(上面各种情况的组合)多相系统的例子各流动模式对应的例子如下：•气泡流例子：抽吸，通风，空气泵，气穴，蒸发，浮选，洗刷•液滴流例子：抽吸，喷雾，燃烧室，低温泵，干燥机，蒸发，气冷，刷洗•活塞流例子：管道或容器内有大尺度气泡的流动•分层自由面流动例子：分离器中的晃动，核反应装置中的沸腾和冷凝•粒子负载流动例子：旋风分离器，空气分类器，洗尘器，环境尘埃流动•风力输运例子：水泥、谷粒和金属粉末的输运•流化床例子：流化床反应器，循环流化床•泥浆流例子：泥浆输运，矿物处理•水力输运例子：矿物处理，生物医学及物理化学中的流体系统•沉降例子：矿物处理多相建模方法计算流体力学的进展为深入了解多相流动提供了基础。目前有两种数值计算的方法处理多相流：欧拉－拉格朗日方法和欧拉－欧拉方法。欧拉－拉格朗日方法在Fluent中的拉格朗日离散相模型遵循欧拉－拉格朗日方法。流体相被处理为连续相，直接求解时均纳维-斯托克斯方程，而离散相是通过计算流场中大量的粒子，气泡或是液滴的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。该模型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率应很低，即便如此，较大的质量加载率仍能满足。粒子或液滴运行轨迹的计算是独立的，它们被安排在流相计算的指定的间隙完成。这样的处理能较好的符合喷雾干燥，煤和液体燃料燃烧，和一些粒子负载流动，但是不适用于流-流混合物，流化床和其他第二相体积率不容忽略的情形。欧拉－欧拉方法在欧拉－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，故此引入相体积率（phasicvolumefraction）的概念。体积率是时间和空间的连续函数，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，另外，对于小颗粒流（granularflows）,则可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。在FLUENT中,共有三种欧拉-欧拉多相流模型，分别为：流体体积模型（VOF），混合物模型，以及欧拉模型。VOF模型所谓VOF模型，是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时，可以采用这种模型。在VOF模型中，不同的流体组分共用着一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积率。VOF模型的应用例子包括分层流，自由面流动，灌注，晃动，液体中大气泡的流动，水坝决堤时的水流，对喷射衰竭（jetbreakup）(表面张力)的预测，以及求得任意液－气分界面的稳态或瞬时分界面。混合物模型混和物模型可用于两相流或多相流（流体或颗粒）。因为在欧拉模型中，各相被处理为互相贯通的连续体，混和物模型求解的是混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相。混合物模型的应用包括低负载的粒子负载流，气泡流，沉降，以及旋风分离器。混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。欧拉模型欧拉模型是Fluent中最复杂的多相流模型。它建立了一套包含有n个的动量方程和连续方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合的方式则依赖于所含相的情况，颗粒流（流－固）的处理与非颗粒流（流-流）是不同的。对于颗粒流，可应用分子运动理论来求得流动特性。不同相之间的动量交换也依赖于混合物的类别。通过FLUENT的客户自定义函数（user-definedfunctions），你可以自己定义动量交换的计算方式。欧拉模型的应用包括气泡柱，上浮，颗粒悬浮，以及流化床。多相流模型的选择基本原则通常，你一旦决定了采用何种模式最能符合实际的流动，那么就可以根据以下的原则来挑选最佳的模型。更为具体的指导，包括如何选择含有气泡，液滴和粒子的流动模型可以参见FLUENT中文帮助。•对于体积率小于10％的气泡、液滴和粒子负载流动，采用离散相模型。•对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超出10％的气泡、液滴和粒子负载流动，采用混合物模型或者欧拉模型。具体采用何种模型。•对于活塞流，采用VOF模型。•对于分层/自由面流动，采用VOF模型。•对于气动输运，如果是均匀流动，则采用混合物模型；如果是粒子流，则采用欧拉模型。•对于流化床，采用欧拉模型模拟粒子流。•对于泥浆流和水力输运，采用混合物模型或欧拉模型。•对于沉降，采用欧拉模型。•对于更加一般的，同时包含若干种多相流模式的情况，应根据最感兴趣的流动特征，选择合适的流动模型。此时由于模型只是对部分流动特征做了较好模拟，其精度必然低于只包含单个模式的流动。DPM模型概述DPM模型可以用来模拟流场中的离散相，它的特点是使用方便，模拟思路清晰，计算中可以对颗粒运动轨迹进行跟踪，结果直观；其缺点是，计算结果无法得到离散相各种场图，为结果分析造成很大不便。FLUENT提供了如下的离散相模型选项：1.使用Lagrangian坐标下的公式计算颗粒的轨迹。这些公式涉及了稳态及非稳态条件下离散相的惯性力、曳力和重力。2.连续相中的漩涡对于离散相扩散产生的扰动进行预测。3.离散相的加热与冷却。4.液滴的蒸发和沸腾。5.提供对颗粒燃烧的模拟，可以通过对挥发份析出和焦炭燃烧来模拟煤粉的燃烧。6.可以选择是否进行连续相与离散相的耦合计算。7.液滴的破碎与合并。这些模型时的FLUENT可以用来对许多种离散相的问题进行模拟，包括颗粒的分离与分级，喷雾干燥，烟雾的扩散，液体中气泡的搅浑，液体燃料和煤的燃烧。当需要在FLUENT的模型中加入离散相时，可以通过定义颗粒的初始位置、速度、粒径、温度等参数实现，具体的操作过程在“DiscretePhaseModel”面板中完成。以上的参数再加上颗粒的物理属性，就可以作为计算颗粒轨迹和颗粒热、质传递的初始化条件。下面就使用DPM模型的基本步骤归纳如下，仅供参考（一）对于稳态问题，可采用以下步骤求解：1.求解连续向流动；2.添加离散相；3.如果需要的话可以求解耦合流动；4.对计算结果进行后处理（二）对于非稳态问题，可通过以下步骤求解；1.添加离散相；2.初始化流场；3.设定时间步长。对于非耦合问题，FLUENT会在每个时间步长的最后更新离散相的位置；对于耦合问题，在每次相间耦合计算中离散相的位置都回更新。2应用DPM模型需要注意的一些问题在Fluent中应用DPM模型进行计算时，需要注意DPM模型忽略了两相流中颗粒之间的相互作用，以及颗粒相对连续相流动产生的影响。这就决定了两相流中颗粒相的体积分数不能太高，通常情况下这一体积分数要小于10%～20%。但是，这并不意味着在应用DPM模型时颗粒相的质量分数也要小于10%～20%，实际上，我们可以使用DPM模型来模拟离散相质量分数等于或超过连续相质量分数的流动。如果颗粒是以喷射的形式进入连续相的，而且流场中有明确的入口和出口，这种情况下可以使用稳态的DPM模型来计算；如果颗粒相在连续相中处于一种无限期的悬浮状态，这种情况下稳态的Lagrangian模型就不再适用了，对于这样的工况可以考虑使用非稳态的DPM模型来进行求解。换句话说，对于搅拌器、混和器、流化床这一类容器如果应用DPM模型来模拟其流场，应该在非稳态的前提下进行。一旦应用DPM模型来对流动进行模拟后，Fluent中的某些功能将不能再被使用。具体如下：1.周期性的边界条件；2.可调的时间步长；3.使用非预混燃烧模型时，颗粒不能参加反应；4.当使用动网格或变形网格时，颗粒喷射的表面便不能随网格一起运动；5.如果使用了复合参考系，在参考系下颗粒轨道失去了原有的意义，同理，相间耦合计算也失去了意义。解决这个问题的方法就是采用绝对速度来对颗粒进行跟踪而不是采用相对速度，这一方法可以通过在文本窗口输入以下命令实现：define/models/dpm/tracking/track-in-absolute-frame。需要注意的是，计算结果会与符合参考系下壁面的位置有很大关系。颗粒的跟踪是在哪个参考坐标系下进行的，颗粒的入射速度就要在哪个参考坐标系下定义的。默认情况下，颗粒速度是基于当地坐标系定义的，如果你激活了track-in-absolute-frame（方法如前所述），颗粒速度就基于绝对坐标系来定义。3DPM模型的简便用法所谓的简便用法，就是不用考虑细节，甚至不必知道模型设置面板中每一项的意义所在，而只给出相应参数的设定来进行求解。我们不提倡这样的做法，不敢保证一次建模、一次计算就能得到满意的结果，所以，需要使用者的慢慢调试!对于稳态的工况，为了确保计算结果的收敛，可以暂时先不在流场中添加离散相，而仅仅进行连续相的迭代，一直迭代到连续相收敛再加入离散相。当然，也可在计算得到收敛趋势时加入离散相。本节只讨论DPM模型面板的设定。下面说明DPM简便用法的操作步骤：1.通过Define→Models→DiscretePhase来打开DPM模型的控制面板，如图1所示；2.选中interactionwithContinuousPhase；3.将NumberofContinuousPhaseIterationsperDPMIteration置为20；4.选中SpecifyLengthScale，将LengthScale置为0.01,注意LengthScale后面的单位是m；5.粗略估计颗粒的行程，然后用该行程除以LengthScale，得到的值就是Max.NumberOfSteps要输入的值。（实际上，LengthScale与Max.NumberOfSteps的乘积即为跟踪颗粒轨迹的最大长度，如果你想观察颗粒在整个流场中的流动，那么这个乘积的值就要大于颗粒的轨迹长度，所以此时可以适当地扩大Max.NumberOfSteps的值。）6.点击面板下方的injections，弹出Injections面板，再点击Create，弹出SetInjectionProperties面板，在此面板中设定颗粒的属性，如图2所示。7.在PointProperties下输入颗粒的各种参数；8.在TurbulentDispersion下激活StochasticTracking选项，将NumberofTries改成10。至此，DPM模型的基本设定就全部结束了。接下来的任务就是针对自己模型的特点，有针对性的到帮助文件中去寻找解决问题的方法，这样便节省了大量