多相流模型经验谈.docx
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多相流模型经验谈
多相流模型经验谈
多相流的介绍：
Currentlytherearetwoapproachesforthenumericalcalculationofmultiphaseflows:
theEuler-Lagrangeapproachandthe
Euler-Eulerapproach.
TheEuler-LagrangeApproach:
TheLagrangiandiscretephasemodelinFLUENTfollowstheEuler-Lagrangeapproach,thisapproach
isinappropriateforthemodelingofliquid-liquidmixtures,fluidizedbeds,oranyapplicationwherethevolumefraction
ofthesecondphaseisnotnegligible.
TheEuler-EulerApproach:
InFLUENT,threedifferentEuler-Eulermultiphasemodelsareavailable:
thevolumeoffluid（VOF）
model,themixturemodel,andtheEulerianmodel.
1）TheVOFModel:
itisdesignedfortwoormoreimmisciblefluidswherethepositionoftheinterfacebetweenthefluidsis
ofinterest.ApplicationsoftheVOFmodelincludestratifiedflows,free-surfaceflows,filling,sloshing,themotionof
largebubblesinaliquid,themotionofliquidafteradambreak,thepredictionofjetbreakup（surfacetension）,andthe
steadyortransienttrackingofanyliquid-gasinterface.
2）Mixturemodel:
Applicationsofthemixturemodelincludeparticle-ladenflowswithlowloading,bubblyflows,sedimentation,
andcycloneseparators.Themixturemodelcanalsobeusedwithoutrelativevelocitiesforthedispersedphasestomodel
homogeneousmultiphaseflow.
3）ApplicationsoftheEulerianmultiphasemodelincludebubblecolumns,risers,particlesuspension,andfluidizedbeds.
离散相模型（离散相的装载率10～12%）
求解参数的设定：
OptionsforInteractionwithContinuousPhase：
Forsteady-statesimulations,increasingtheNumberofContinuousPhase
IterationsperDPMIterationwillincreasestabilitybutrequiremoreiterationstoconverge.
UpdateDPMSourcesEveryFlowIterationisrecommendedwhendoingunsteadysimulations;ateveryDPMIteration,theparticle
sourcetermsarerecalculated.
LengthScale:
controlstheintegrationtimestepsizeusedtointegratetheequationsofmotionfortheparticle.Asmaller
valuefortheLengthScaleincreasestheaccuracyofthetrajectoryandheat/masstransfercalculationsforthediscrete
phase.
LengthScalefactor:
AlargervaluefortheStepLengthFactordecreasesthediscretephaseintegrationtimestep.
颗粒积分方法：
numerics叶中trackingscheme选项
1）implicitusesanimplicitEulerintegrationofEquation23.2-1whichisunconditionallystableforallparticlerelaxation
times.
2）trapezoidalusesasemi-implicittrapezoidalintegration.（梯形积分）
3）analyticusesananalyticalintegrationofEquation23.2-1wheretheforcesareheldconstantduringtheintegration.
4）runge-kuttafacilitatesa5thorderRungeKuttaschemederivedbyCashandKarp[47].
Youcaneitherchooseasingletrackingscheme,orswitchbetweenhigherorderandlowerordertrackingschemesusingan
automatedselectionbasedontheaccuracytobeachievedandthestabilityrangeofeachscheme.
Max.Refinementsisthemaximumnumberofstepsizerefinementsinonesingleintegrationstep.Ifthisnumberisexceeded
theintegrationwillbeconductedwiththelastrefinedintegrationstepsize.
AutomatedTrackingSchemeSelectionprovidesamechanismtoswitchinanautomatedfashionbetweennumericallystablelower
orderschemesandhigherorderschemes,whicharestableonlyinalimitedrange.Insituationswheretheparticleisfar
fromhydrodynamicequilibrium,anaccuratesolutioncanbeachievedveryquicklywithahigherorderscheme,sincethese
schemesneedlesssteprefinementsforacertaintolerance.Whentheparticlereacheshydrodynamicequilibrium,thehigher
orderschemesbecomeinefficientsincetheirsteplengthislimitedtoastablerange.Inthiscase,themechanismswitches
toastablelowerorderschemeandfacilitateslargerintegrationsteps.
IncludingaCoupledHeat-MassSolutionontheParticles：
Thisincreasedaccuracy,however,comesattheexpenseofincreased
computationalexpense.
非稳态跟踪
1）连续相稳态离散相非稳态：
yousimplyentertheParticleTimeStepSizeandtheNumberofTimeSteps,thustrackingparticles
everytimeaDPMiterationisconducted.WhenyouincreasetheNumberofTimeSteps,thedropletspenetratethedomainfaster.
2）连续离散相都为非稳态：
Whensolvingunsteadyequationsforthecontinuousphase,youmustdecidewhetheryouwanttoUse
FluidFlowTimeSteptoinjecttheparticles,orwhetheryoupreferaParticleTimeStepSizeindependentofthefluidflow
timestep.Withthelatteroption,youcanusetheDiscretePhaseModelincombinationwithchangesinthetimestepfor
thecontinuousequations,asitisdonewhenusingadaptiveflowtimestepping.
随机轨道模型的参数：
numberoftries:
AninputofzerotellsFLUENTtocomputetheparticletrajectorybasedonthemeancontinuousphasevelocity
field（Equation23.2-1）,ignoringtheeffectsofturbulenceontheparticletrajectories.Aninputof1orgreatertells
FLUENTtoincludeturbulentvelocityfluctuationsintheparticleforcebalanceasinEquation23.2-20.
Ifyouwantthecharacteristiclifetimeoftheeddytoberandom（Equation23.2-32）,enabletheRandomEddyLifetimeoption.
YouwillgenerallynotneedtochangetheTimeScaleConstant（CLinEquation23.2-23）fromitsdefaultvalueof0.15,
unlessyouareusingtheReynoldsStressturbulencemodel（RSM）,inwhichcaseavalueof0.3isrecommended.
液滴颗粒碰撞与破碎
碰撞：
破碎：
有两种模型，TAB模型适合低韦伯数射流雾化以及低速射流进入标态空气中的情况。
对韦伯数大于100的情况，波动模型适应性较好。
在高速燃料射流雾化中，波动模型应用甚广。
对于TAB模型，用户需要在y0文本框中设定y0的值。
Thedefaultvalue（y0=0）isrecommended.
对于Y波动模型，需要输入B0与B1，youwillgenerallynotneedtomodifythevalueofB0,asthedefaultvalue0.61isacceptable
fornearlyallcases.Avalueof1.73isrecommendedforB1.
颗粒类型中的燃烧类型
燃烧（``combusting''）颗粒是一种固体颗粒，它遵从由方程19.2-1所确定的受力平衡、由定律1所确定的加热冷却过程、由定律4所确定
的挥发份析出过程（19.3.5节）以及由定律5所确定的异相表面反应机制（19.3.6节）。
最后，当颗粒的挥发份完全析出之后，非挥发份
的运动、变化由定律6所确定。
在SetInjectionPropertiespanel面板中选定WetCombustion选项，用户可以在燃烧颗粒中包含有可蒸发
物质。
这样，颗粒的可蒸发物质可在挥发份开始析出之前，经历由定律2、3所确定的蒸发与沸腾过程.
若定义的是Combusting燃烧类型颗粒，可在DevolatilizingSpecies下拉列表框下选定由挥发份析出定律4确定的气相组分，参与焦炭表面
燃烧反应（定律5）的气相组分列于OxidizingSpecies（氧化剂组分）列表中，有表面反应生成的气相组分则列于ProductSpecies（生成物组
分）列表中。
需要注意的是，对于选定的燃烧颗粒介质，如果燃烧模型为multiple-surface-reaction多表面异相反应模型，那么，由于化学
反应计量比在混合介质中已经被确定，所以OxidizingSpecies与ProductSpecies列表将变灰（不可选）。
液滴喷射类型
平面雾化模型的输入
l位置：
在X-,Y-,andZ-Position文本框区可以设定射流的沿直角坐标的三向位置（在三维情况下才会有Z-Position出现）
l速度：
在X-,Y-,andZ-Velocity文本框区可以设定射流初始速度沿直角坐标的三向分量
（在三维情况下才会有Z-Velocity出现）
l轴的方向（仅适用于三维）：
设定确定喷嘴轴线方向的三个分量，在X-Axis,Y-Axis,andZ-Axis区设定。
l温度：
在Temperature区可设定喷射颗粒流的初始颗粒（绝对）温度。
l质量流率：
可在FlowRate区设定喷嘴的的颗粒质量流量。
l射流持续时间：
对于非稳态颗粒跟踪计算（请参阅19.8节），在StartTime和StopTime区设定喷射的开始于结束时间。
l蒸气压：
设定控制通过喷嘴内部流动的蒸气压（表19.4.1中的pv），在VaporPressure区设定。
l直径：
设定喷嘴直径（表19.4.1中的d），在InjectorInnerDiam.区设定。
l喷嘴长度：
设定喷嘴的长度（表19.4.1中的L），在OrificeLength区设定。
l内台阶角半径（导角半径）：
设定喷嘴内台阶处的导角半径（表19.4.1中的r），在Corner
RadiusofCurv.区设定。
l喷嘴参数：
设定射流角修正系数（方程19.4-16中的CA），在ConstantA区设定。
{CA=3+L/3.6/d,喷射角度的大小强烈依赖于喷嘴的
内部流动。
因此，对于空穴喷嘴，用户设定的CA值应该比单相流的要小才可以。
CA的常见取值范围为4.0～6.0。
返流喷嘴的喷射角度更小
}
l方位角：
设定三维情况下的喷嘴方位开始角与结束角，在AzimuthalStartAngleandAzimuthalStopAngle区设定。
压力－旋流雾化喷嘴的点属性设定（气体透平工业的人把它称作单相喷嘴（simplexatomizer）。
这种喷嘴，然后流体通过一个称作旋流片
的喷头被加速后，进入中心旋流室。
在旋流室内，旋转的液体被挤压到固壁，在流体中心形成空气柱，然后，液体以不稳定的薄膜状态从
喷口喷出，破碎成丝状物及液滴。
）
l射流角：
在SprayHalfAngle区下设定射流喷射半角（方程19.4-25中的θ）。
l压力：
在UpstreamPressure区下设定喷嘴上游压力（表19.4.1中的p1）。
l液膜破碎常数：
设定确定液膜破碎时形成的线状液膜长度的一个经验常数（方程19.4-30中的ln（ηb/η0），在SheetConstant设定。
{ln（ηb/η0）为3～12的经验常数。
这个值必须由用户设定，其缺省值为12withexperimentalsheetbreakuplengthsoverarange
ofWebernumbersfrom2to200.}
l线状液膜直径：
对于短波，确定液膜破碎波长与线状液膜半径之间的线形比例关系的比例常数，在LigamentConstant区设定。
{whereCL,ortheligamentconstant,isequalto0.5bydefault.}
空气辅助雾化喷嘴的点属性设定（为了加速液膜的破碎，喷嘴经常会添加上辅助空气。
液体通过喷座的作用形成液膜,空气则直接冲击液膜
以加速液膜的破碎。
）
l喷嘴外半径：
在InjectorOuterDiam.区下设定射流的外部半径。
此数值与喷嘴内部半径共同确定了液膜厚度（方程19.4-22中的t）。
l射流角：
设定射流离开喷口时的液膜初始轨道（方程19.4-25中的θ），在SprayHalfAngle区设定。
l相对速度：
设定液膜与空气之间的最大相对速度，在RelativeVelocity区设定。
l液膜破碎常数：
设定确定液膜破碎时形成的线状液膜长度的一个经验常数（方程19.4-30中的ln（ηb/η0）），在SheetConstant区设定。
l线状液膜直径：
对于短波，确定液膜破碎波长与线状液膜半径之间的线形比例关系的比例常数，在LigamentConstant区设定。
{whereCL,ortheligamentconstant,isequalto0.5bydefault.}
平板扇叶雾化喷嘴的点属性设定（液体从宽而薄的喷口出来后形成平面液膜，继而破碎成液滴。
只有在三维的情况下才可以使用这个模型）
l扇叶中心点：
设定射流源起始位置的三向坐标值（请参阅图19.4.6），在X-Center,Y-Center,andZ-Center区设定。
l虚点位置：
设定喷嘴扇叶的各边的虚拟交叉点（请参阅图19.4.6），在X-VirtualOrigin,Y-VirtualOrigin,andZ-VirtualOrigin
区设定。
l垂直方向：
设定垂直扇叶的向量的各个分量，在X-FanNormalVector,Y-FanNormalVector,andZ-FanNormalVector区设定。
l温度：
设定颗粒流的温度，在Temperature区设定。
l质量流量：
设定喷嘴的质量流量，在FlowRate区设定。
l射流持续时间：
对于非稳态颗粒跟踪计算（请参阅19.8节），在StartTime和StopTime区设定喷射的开始于结束时间。
l射流角：
在SprayHalfAngle区下设定射流喷射半角。
l喷口宽度：
设定喷口垂直方向的宽度，在OrificeWidth区设定。
l液膜破碎常数：
设定确定液膜破碎时形成的线状液膜长度的一个经验常数（请参阅方程19.4-30的ln（ηb/η0）），在FlatFanSheet
Constant区设定。
气泡雾化喷嘴的点属性设定（，液体中混合了过热液体或者类似的介质。
当挥发性液体从喷口喷出时，迅速发生相变。
相变使流体迅速以很大
的分散角破碎成小液滴。
此模型也适用于热流体射流。
）
混合情况参数：
设定射流中液－气混合物中已蒸发的液滴质量分数（方程19.4-38中的x），在MixtureQuality区设定。
l饱和温度：
设定可挥发成分的饱和温度，在SaturationTemp.区设定。
l液滴扩散系数：
设定控制液滴在空间扩散性能的扩散系数（方程19.4-38中的Ceff），在DispersionConstant区设定。
l射流角：
设定液膜离开喷口时的初始轨道方向角，在MaximumHalfAngle区设定。
通用多相流模型
mixturemodelVSeulermodel
1）Ifthereisawidedistributionofthedispersedphases（i.e.,iftheparticlesvaryinsizeandthelargestparticles
donotseparatefromtheprimaryflowfield）,themixturemodelmaybepreferable（i.e.,lesscomputationallyexpensive）.
Ifthe
dispersedphasesareconcentratedjustinportionsofthedomain,youshouldusetheEulerianmodelinstead.
Ifinterphasedraglawsthatareapplicabletoyoursystemareavailable（eitherwithinFLUENTorthroughauser-defined
function）,theEulerianmodelcanusuallyprovidemoreaccurateresultsthanthemixturemodel.Eventhoughyoucanapply
thesamedraglawstothemixturemodel,asyoucanforanon-granularEuleria
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