多相流模拟.docx
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多相流模拟
多相流模拟介绍
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。
比如说，相同材料的固体物质颗粒如果具有不同尺寸，就可以把它们看成不同的相，因为相同尺寸粒子的集合对流场有相似的动力学响应。
本章大致介绍一下Fluent中的多相流建模。
多相流动模式
我们可以根据下面的原则对多相流分成四类：
∙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
∙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下面的细节指导。
∙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。
具体内容参见第19章。
∙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。
混合模型（MixtureModel）
与VOF模型一样，混合模型使用单流体方法。
它有两方面不同于VOF模型：
1、混合模型允许相之间互相贯穿（interpenetrating）。
所以对一个控制容积的体积分数
可以是0和1之间的任意值，取决于相
和相
所占有的空间。
2、混合模型使用了滑流速度的概念，允许相以不同的速度运动。
（注，相也可以假定以相同的速度运动，混合模型就简化为均匀多相流模型）。
3、混合模型求解混合相的连续性方程，混合的动量方程，混合的能量方程，第二相的体积分数方程，还有相对速度的代数表达（如果相以不同的速度运动）。
欧拉模型（EulerianModel）
单相模型中，只求解一套动量和连续性的守恒方程，为了实现从单相模型到多相模型的改变，必须引入附加的守恒方程。
在引入附加的守恒方程的过程中，必须修改原始的设置。
这个修改涉及到多相体积分数
的引入和相之间动量交换的机理
紊流模型（TurbulenceModels）
为了描述单相中速度及标量的紊流、波动的影响，FLUENT使用了不同类型的封闭模型。
与单相流动相比，多相流动动量方程中所模拟的项数是非常大的，这使得多相流模拟中的紊流模型非常复杂。
在
模型内FLUENT提供了三种方法模拟多相流中的紊流：
1．mixtureturbulencemodel（default）
2．dispersedturbulencemodel
3．Turbulencemodelforeachphase
模型的选择依赖于你的应用中第二相紊流的重要性。
！
！
注：
下面给出的每一种方法的描述都是基于标准
模型。
多相修正为RNG和realizable
模型是相似的，因此这里不在明确地给出。
混合紊流模型（MixtureTurbulenceModel）
混合紊流模型是默认的多相紊流模型。
它代表了单相
模型的第一扩展，它应用于相分离，分层（或接近分层）的多相流，和相之间的密度比接近1。
这种情形下，使用混合属性和混合速度捕获紊流的重要特征是足够的。
分散紊流模型（DispersedTurbulenceModel）
当第二相的浓度稀时，分散紊流模型是合适的模型。
这种情形下，颗粒间的碰撞可忽略而对第二相随机运动的起支配作用的是主相紊流的影响。
所以第二相的波动量根据主相的平均特征和颗粒弛豫时间和粒子相互作用时间的旋涡给出。
当明显地有一个主连续相和其它的是分散稀释的第二相时，这个模型是适用的。
每相的紊流模型（TurbulenceModelforEachPhase）
最普通的多相紊流模型为每一相求解一套
输运方程。
当紊流传递在相间起重要作用时，这个紊流模型是合适的选择。
注：
由于FLUENT为每个第二相求解两个附加的输运方程，每相的紊流模型比分散相紊流模型大大地增加了计算的强度。
∙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
细节指导
对于分层流和活塞流，最直接的就是选择VOF模型。
选择其他的模型就不那么直接。
一般来说，下面的一些参数可以帮助选择合适的多相流模型：
粒子的加载率,
和斯托克斯数,St。
（注意：
这里“颗粒”一词泛指粒子，液滴和气泡）
粒子加载率的影响
粒子加载率对相之间的影响具有很大的作用。
颗粒加载率定义为离散相的质量密度（d）和载体相的质量密度（c）之比:
物质密度比为：
气－固两相流中它大于1000,液-固两相流中在1左右，而气－液两相流中小于0.001。
利用这些参数，就可以估计粒子相中粒子之间的平均间隔距离。
下面是由Croweetal.给出的一种估计方法：
其中
。
这些参数的信息对于决定如何来处理离散相是非常重要的。
例如，对于某种气体－颗粒流动，其粒子加载率为1，那么粒子间距
就等于8；于是粒子就可以看成相互孤立的（也就是说，粒子加载率很低）。
根据粒子加载率的不同，相之间的影响程度可以分为三类：
∙对于低加载率，相之间的耦合作用是单向的；就是说，作为载体的流体介质可以通过推动和涡漩影响粒子的运动，但是粒子对流体运动却没有影响。
离散相，混合物以及欧拉模型都可以很好的处理这一类问题。
由于欧拉模型是最消耗资源的，故此离散相和混合物模型相对更为合适。
∙对于中等的加载率，耦合作用成为双向的；就是说，流体通过推动和涡漩影响粒子运动的同时粒子反过来也通过消耗平均动量和涡漩来影响流动。
离散相，混合物和欧拉模型都可以应用于这种情况，但是你需要考虑其他的一些影响因素来决定采用何种模型更为合适。
可利用下文将要介绍的斯托克斯数作为判断的准则。
∙对于高加载率，在双向影响的基础上还有粒子压力和由粒子引起的粘性应力的耦合（是四向的耦合）。
只有欧拉模型才能正确的处理此类问题了。
斯托克斯数的重要意义
对于具有中等粒子加载率的系统，通过估计斯托克斯数的大小可以帮助你选择合适的模型。
斯托克斯数可以根据粒子响应时间和系统响应时间的关系来定义：
其中
，而
是根据所考察系统的特征长度（
）和特征速度（
）来定义的
。
对于
的情况，对载流而言，粒子将具有很好的跟随性，所以三种模型（离散相，混合物和欧拉模型）都可以采用，于是你可以选择最节省资源的模型（通常为混合物模型），或者根据到其他的因素选择最为合适的。
对于
的情况，粒子将独立于流场运动，此时选用离散相模型和欧拉模型比较合适。
对于
的情况，三种模型又都可以采用了，可以根据情况选择最节省资源的或者最为合适的的模型。
例子
某选矿器，特征长度为1m，特征速度为10m/s，于是对于直径为30微米的粒子，其斯托克斯数为0.04，而对于300微米的粒子，其斯托克斯数为4.0。
显然，混合物模型就不适用于后者。
某矿处理机，特征长度为0.2m，特征速度为2m/s，则对300微米的粒子，斯托克斯数为0.005。
在此情况下，你可以选择混合物模型或者欧拉模型。
（因为粒子体积率太高，采用离散相模型是不适合的，见下文所述）
其他考虑因素
牢记一点，即离散相模型只适用于低体积率的情况。
但同时，也只有离散相模型才允许你指定颗粒的分布或者在多相流模型中同时加入燃烧模型。
使用一般多相流模型的步骤（StepsforUsingtheGeneralMultiphaseModels）
1．选中你想要使用的多相流模型（VOF,mixture,orEulerian）并指定相数。
对VOF模型，也指定VOF公式。
Define
Models
Multiphase...
如果你选的是VOF模型，输入如下：
∙numberofphases
∙VOFformulation（seeSection 20.6.4）
∙（optional）implicitbodyforceformulation（seeSection 20.6.11）
如果你选择的是混合模型，输入如下：
∙numberofphases
∙whetherornottocomputetheslipvelocities（seeSection 20.6.5）
∙（optional）implicitbodyforceformulation（seeSection 20.6.11）
∙（optional）cavitationeffects（seeSection 20.6.6）
如果你选的欧拉模型，输入如下：
∙numberofphases
∙（optional）cavitationeffects（seeSection 20.6.6）
为了给多相流计算指定相数，在NumberofPhases下输入合适的值。
你最多可以指定20相。
2.从材料库中复制描述每相的材料。
Define
Materials...
如果你使用的材料在库中没有，应创建一种新材料。
关于为可压缩相（VOFandmixturemodelsonly）指定材料属性的详细内容如下：
如果你使用的是VOF或mixture模型为可压缩流动，注意如下：
★只有相中的一个是可压缩的（也就是只有一相材料的密度你可以选用理想气体定律）。
★如果你使用的是VOF模型，由于稳定性的原因，如果主相是可压缩的会更好（尽管是不需要的）。
如果你在边界上指定总压力（也就是pressureinletorintakefan），在那个边界上的具体的温度值对于可压缩相将会使用totaltemperature，而对其他相使用statictemperature（它们是不可压缩的）
注意：
如果你的模型中含有微粒（granular）相，你必须在fluidmaterialscategory中为它创建新材料（notthesolidmaterialscategory.）
3．定义相，指定相间的相互作用（interaction）（例如，使用OVF模型时的表面张力（surfacetension），使用混合模型时的滑流速度，使用欧拉模型时的dragfunctions）
Define
Phases...
为VOF模型定义相（DefiningPhasesfortheVOFModel）
在VOF计算中为主相和第二相指定必要的信息和它们的相互作用的说明由下面给出。
！
！
通常，你可以你喜欢的任何方式指定主相和第二相。
考虑你的选择如何影响问题的设置是一种很好的主意，特别是在复杂的问题中。
例如，对区域一部分中的一相，如果你计划patch其初始体积份额为1，指定这个相为第二相更方便。
同样，如果一相是可压缩的，为了提高解的稳定性，建议你指定它为主相。
！
！
记住，只能有一相是可压缩的。
确定你没有选择可压缩材料（也就是对密度使用可压缩理想气体定律的材料）为多于一相的。
！
！
注意如果你在表面张力有重大影响的计算区域内使用四边形或六边形网格，表面张力影响的计算会更精确。
如果你在整个区域内不使用四边形或六边形网格，那么你应当使用在影响区域内用四边形或六边形的混合网格。
如果你想包含沿着一对或多对相的界面上的表面张力的影响，如在Section20.2.8中述的，点击Interaction...toopenthePhaseInteractionpanel
包含沿着一对或多对相界面上表面张力（and,ifappropriate,walladhesion））的影响，遵循以下步骤：
1．TurnontheSurfaceTensionoption.
2．如果你想包含壁面黏附的，turnontheWallAdhesionoption.（WhenWallAdhesionisenabled,youwillneedtospecifythecontactangleateachwallasaboundarycondition。
对于你想包含表面张力影响的每一对相，指定一个常数表面张力系数。
默认情况，所有表面张力系数都为零，表示沿着两相界面上没有表面张力。
！
！
对于涉及到表面张力的计算，建议你在MultiphaseModelpanel中为BodyForceFormulation打开ImplicitBodyForce。
这样做由于压力梯度和动量方程中表面张力的部分平衡，从而提高了解的收敛性。
定义混合模型中的相（DefiningPhasesfortheMixtureModel）
在混合模型计算中为主相和第二相指定必要的信息和它们的相互作用的说明由下面给出。
!
!
记住，只能有一相是可压缩的。
确定你没有选择可压缩材料（也就是对密度使用可压缩理想气体定律的材料）为多于一相的。
如果你在混合计算中要求解滑流速度，你想指定滑流速度的定义，clickInteraction...toopenthePhaseInteractionpanel
在SlipVelocity下面，你可以通过在附近下拉列表中选择合适的项目给与主相相关的第二相指定滑流速度函数。
1．Selectmaninnen-et-al（thedefault）tousethealgebraicslipmethodofManninenetal.
2．Selectnoneifthesecondaryphasehasthesamevelocityastheprimaryphase（i.e.,noslipvelocity）.
3、Selectuser-definedtouseauser-definedfunctionfortheslipvelocity.SeetheseparateUDFManualfordetails.
定义欧拉模型中的相（DefiningPhasesfortheEulerianModel）
在欧拉多相流计算中为主相和第二相指定必要的信息和它们的相互作用的说明由下面给出。
在欧拉多相流计算中定义非颗粒（即液体或气体）第二相时，不打开Granular选项即可。
在欧拉多相流计算中定义颗粒第二相时，打开Granular选项，然后依次来定义：
Diameter
指定颗粒的直径。
Youcanselectconstantinthedrop-downlistandspecifyaconstantvalue,orselectuser-definedtouseauser-definedfunction.SeetheseparateUDFManualfordetailsaboutuser-definedfunctions.
GranularViscosity
指定颗粒的颗粒粘度的运动部分（
inEquation20.4-50）。
Youcanselectconstant（thedefault）inthedrop-downlistandspecifyaconstantvalue,selectsyamlal-obrientocomputethevalueusingEquation 20.4-52,selectgidaspowtocomputethevalueusingEquation 20.4-53,orselectuser-definedtouseauser-definedfunction.
GranularBulkViscosity
specifiesthesolidsbulkviscosity（
inEquation 20.4-8）.Youcanselectconstant（thedefault）inthedrop-downlistandspecifyaconstantvalue,selectlun-et-altocomputethevalueusingEquation 20.4-54,orselectuser-definedtouseauser-definedfunction.
FrictionalViscosity
specifiesashearviscositybasedontheviscous-plasticflow（
inEquation 20.4-50）.Bynoneinthedrop-downlist.Ifyouwanttoincludethefricdefault,thefrictionalviscosityisneglected,asindicatedbythedefaultselectionoftionalviscosity,youcanselectEquation constantandspecifyaconstantvalue,selectschaeffertocomputethevalueusing20.4-55,orselectuser-definedtouseauser-definedfunction.
AngleofInternalFriction
specifiesaconstantvaluefortheangle
usedinSchaeffer'sexpressionforfrictionalviscosity（Equation 20.4-55）.Thisparameterisrelevantonlyifyouhaveselectedschaefferoruser-definedfortheFrictionalViscosity.
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