Fluent多相流模型选择与设定.docx

1、Fluent多相流模型选择与设定1.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分层自山面流动：山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。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

2、穿过整个容器，从而使得颗粒在床得到充分混合。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，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) 各流

3、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：管道或容器有大尺度气泡的流动分层自山面流动例子：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2.多相流模型FLUENT中描述两相流的两种方法:欧拉-欧拉法和欧拉-拉楼阴H法，后面 分别简称欧拉法和拉格朗日法。欧拉

4、法即为两相流模型，拉格朗日法即为离散相 模型欧拉法着眼于空间的点，基本思想是考察空间一个点上的物理量及其变化。 在欧拉方法中，FLUENT将不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。各相的体积率 是时间和空间的连续函数，其体积分率之等于1。欧拉法中两相流模型包 括:VOF(the volumeoffluid)模型，混合模型和欧拉一欧拉模型VOF模型(Volume of Fluid Model)混合模型(Mixture Model)欧拉模型(Eulerian Model)2.1VOF模型(Volume of Fluid Model)D vof模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计

5、 算的每个控制容积中第一相的体积含量为a 1,如果a 1=0,表示该控制容 积中不含第一相，如果a 1 = 1,则表示该控制容积中只含有第一相，如果 0a 11,表示该控制容积中有两相交界面； VOF方法是用体积率函数表示流体自山面的位置和流体所占的体积，其方 法占存小，是一种简单而有效的方法。V0F模型在应用的过程中存在某些局限性：(1)在利用该模型进行模拟时要求所有的控制体积必须被任何一种流体相 或混合相所填满，即不能存在无流体流动的区域；(2)只允许一相流体是可压缩的；(3)很难对具有混合物料和反应存在的流动进行模拟；(4)相间存在较大速度差时，界面的速度精度会受到很大的影响。2.2混合

6、模型(Mixture Model)混合模型(Mixture Model)是一种简化的两(多)相流模型，它使用单流体方 用于模拟各相有不同速度的两(多)相流，但是假定了在短空间尺度上局部的，相 之间的耦合很强。同时也用于模拟有强烈藕合的各向同性相流和各相以相度运动 的两（多）相流。混合模型可以通过求解混合相的动量、连续性和能量，第二相的 体积分率方程，以及相对速度的代数表达式模拟多相（fluldorculate）。典型的应用包括低负载的粒子负载流，沉降，旋风分离器以及气相容很低的 泡状流。混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。用混合特性参数描述的两相流场的场方程组称为混合模型；考虑了

7、界面传递特性以及两相间的扩散作用和脉动作用；使用了滑移速度 的概念，允许相以不同的速度运动；用于模拟各相有不同速度的多相流：也用于模拟冇强烈耦含的各向同性 相流和各相以相同速度运动的多相流；缺点：界面特性包括不全，扩散和脉动特性难于处理。2.3欧拉模型（Eulerian Model）欧拉一欧拉模型（Euler-Euler Model）是两（多）相流中最复杂的两（多）相流 模型，也称为双流体模型。连续相与分散相被视为连续的一体。欧拉一欧拉模型 对每一相都建立动量方程和连续性方程，通过压力和相间交换系数的藕合来讣算 求解。欧拉模型的应用包括气泡柱、颗粒悬浮以及流化床的模拟。有人将其成功地 应用欧拉

8、-模型模拟了鼓泡塔中两（多）相流的模拟及气泡聚并和破碎的影响。欧拉模型指的是欧拉一欧拉模型；把颗粒和气体看成两种流体，空间各点都有这两种流体各自不同的速度、 温度和密度，这些流体其存在同一空间并相互渗透，但各有不同的体积分 数，相互间有滑移；颗粒群与气体有相互作用，并且颗粒与颗粒之间相互作用，颗粒群紊流输 运取决于与气相间的相互作用而不是颗粒间的相互作用；各颗粒相在空间中有连续的速度、温度及体积分数分布。几种多相流模型的选择VOF模型适合于分层流动或自由表面流；Mixture和Eulerian模型适合于流动中有混合或分离，或者离散相的体积份 额超过10%12%的情况。Mixture模型和Eul

9、erian模型区别如果离散相在计算域分布较广，采用Mixture模型；如果离散相只集中在 部分，使用Eulerian模型； 勺考虑讣算域Gt)interphase drag laws时，Eulerian模型通常比Mixture模型 能给出更精确的结果；从讣算时间和计算精度上考虑。拉格朗日法着眼于流体的质点，基本思想是跟踪每个流体质点在流动过程中的 运动全过程，记录每个质点在每一时刻、每一位置的各个物理量及变化。在拉格 朗日方法中，FLUENT将主体相视为连续相，稀疏相视为离散颗粒，主体相用欧拉 法,而离散相利用拉格朗日法进行粒子跟踪,这就是所谓的欧拉一拉格朗日模型。 此模型中需要离散相体积含量

10、不超过1概，离散相和主体相都有自己的压力、粘 度及湍流扩散稀疏参数，并在拉格朗日坐标系中考察离散相颗粒的运动轨迹。该 模型能详细地分析粒子/液滴间的作用力以及流体间复杂的作用力，避免了应用 大量的经验关系，乂避免了离散相数值解的扩散问题，虽然计算量庞大，但是相 对欧拉模型来讲，精度要更高一些。比较了各种模型，认为离散相模型能更准确 地模拟气一固两相流动，能更好的跟踪固体颗粒、气泡、液滴在连续相中运动 轨迹。3.选择基本原则通常，你一旦决定了釆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。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

11、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。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，则釆用混合物模型；如果是粒子流，则釆用 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。此时山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。Fluent软件中对喷雾这类气液两相流问题的模拟主要釆用其自带的离散相模 型(

12、DPM Discrete Phase Model)。此模型是以欧拉一拉格朗日方法为基础建立的。它把流体作为连续介质，在欧拉坐标系加以描述，对此连续相求解输送 方程，而把雾滴颗粒群作为离散体系，通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微 分方程来求解离散相颗粒的轨道，可以讣算出这些颗粒的轨道以及山颗粒引起 的热量/质量传递。同时，在计算中，相间耦合以及耦合结果对肉散相轨道、连 续相流动的影响均可考虑遴当计算颗粒的轨道时，Fluent跟踪计算颗粒沿轨 道的热量、质量、动量的得到与损失，这些物理量可作用于随后的连续相的讣 算中去。于是，在连续相影响离散相的同时，用户也可以考虑离散相对连续相 的作用。交替求解

13、离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛(二者讣算解 不再变化)为止，这样，就实现了双向耦合计算。在采用FLUENT中的离散相模型时，需要定义每个粒子尺寸以及温度。这些 初始条件以及有关离散相物理性质的输入量/质量计算的必要条件。轨迹以及热 量/质量传递的讣算是粒子的对流或辐射传热、质量传递以及粒子在流场运动时 的。而预测所得的轨迹以及相关的质量、热量传递可以通过1稳态问题建立及求解程序纲要建立和求解稳态离散相问题的一般程序如下所示：(1)求解连续相流动；(2)生成离散相的入射；(3)根据需要选择是否连续相与离散相关联求解；(4)用画图或者提取数据来跟踪离散相入射。2非稳态问题建立及求解程序纲

14、要建立和求解非稳态离散相问题的一般程序如下所示：(1)生成离散相入射；(2)初始化流场；(3)取合适的时间步长数LI进行求解。随着求解的进行，粒子的位置将会被更新。利用Fluent自带的空气雾化喷嘴模型预测雾化颗粒的颗粒行为。汀先假设不 带颗粒的空气为连续相，对其进行单相模拟。之后，假设雾化喷嘴喷出的屮烷颗 粒为离散相，进行了气液两相耦合模拟。单相稳态模拟的基础上打开DPM模型 (Discrete Phase Model )加入离散相 甲烷雾滴进行两相耦合模拟，重点介 绍了 DPM中参数的设定。1打开DPM模型利用Define/Models/Discrete Phase Model打开DPM,

15、本文截取了Discrete PhaseModel设置面板的一部分，对其中参数的设定进行详细的分析，如图1所示。图 1 Discrete Phase Model而板当模拟两相耦合过程时，用户应该首先计算得到收敛或部分收敛的连续相流 场，然后再创建喷射源进行耦合计算。在每一轮离散相的讣算，FLUENT il算 颗粒/液滴轨迹并且更新每一个流体讣算单元的相间动量、热量以及质量交换项。 然后，这些交换项就会作用到随后的连续相的讣算。耦合讣算时FLUENT在连 续相迭代计算的过程中，按照一定的迭代步数间隔来讣算离散相迭代。直到连续 相的流场讣算结果不再随着迭代步数加大而发生变化(即，达到了所有的收敛标

16、准)，耦合计算才会停止。当达到收敛时，离散相的轨迹也不再发生变化(若离 散相轨迹发生变化将会导致连续相流场的变化)。耦合计算的设定步骤如下：1.计算连续相流场；2.在 Discrete Phase Model pane I 面板中,激活 I nteract ion with Cont i nuous Phase选项；3.在Number Of Continuous Phase Iterations Per DPM Iteration 文本框中设定颗粒 轨迹的计算频率(即连续相迭代多少步，就进行一轮离散相的讣算)。若用户设 定此参数为5,即意味着在连续相进行了五步迭代之后，就开始离散相的迭代计 算

17、。两个离散相汁算中间应该间隔多少连续相的迭代步，要视用户问题的物理意 义而定。需要注意的是，【*若此参数设定为0,那么FLUENT将不进行离散相的计 算。】另外，图1中绿色圈的2个参数是最大汁算步数(Max. Number Of Steps)和 积分尺度(Length Scale)。最大计算步数(Max. Number Of Steps)是用积分方程,(2)求解颗粒轨 道时，允许的最大时间步数。某个颗粒轨道讣算达到此时间步数时，FLUENT就自动中止了此颗粒的 :仇道汁算，输出时，此颗粒被标记为“incomplete”。对最大时间步数的规定消除 了对某些在流场中不停循环的颗粒的无休止的讣算。但

18、是，对于缺省的500步 的最大时间步数，很多问题的计算都不止这么多。这种情况下，当颗粒信息在输 出时被标记未完成，而实际颗粒并不是在流场中无休止的打转，那么，用户可以 增加最大时间步数注值得注意的是：设定上述各个参数的一个简便方法是，若 用户希望颗粒穿越长度为D的计算域，那么用长度标尺乘以最大积分时间步数, 其结果应该大致等于D,即等于所设定的Number Of Continuous Phase Iterations Per DPM Iteration 的值。2 创建injection通过Define/injection/create进入创建injection面板,如下图所示：在Injecti

19、on Type中选择射流源类型，本文选定空气雾化喷嘴（amblast-atomizei*）。在Particle Type中选择颗粒类型，本文选择Droplet液滴是一 种存在于连续相气流中的液体颗粒。它服从力的平衡并受到加热/冷却的影响（由定律1确定）。此外，他还山定律2和3确定自身的蒸发与沸腾（请参阅UsersGuide中的19.3.4）。只有传热选项被激活并且至少两种化学组份在计算中是被激 活的，或者已经选择了非预混燃烧或部分预混燃烧模型，液滴类型才是可选的。 当选择了液滴类型之后，用户应该使用理想气体定律来定义气相密度在空气辅助雾化模型里，用户应直接设定液膜片度，如图3所示。在Point

20、 Properties面板上，设定喷口处液膜的外半径，即液膜的厚度。另外，用户还必须 设定液膜与空气间的最大相对速度差和喷射角度，如图4所示。液膜离开喷口之 后，它的初始轨道沿着设定的喷射角。注意：如果初始液膜的轨道指向中心线，那么，喷射角度为负值。3离散相边界条件的设定在Discrete Phase Model Conditions 属性框下的Boundary Cond. Type 下拉框 中选择reflect, trap,或escape边界条件（在面板中，需要点击DPM才能激活Discrete Phase Model conditions）。如图5所示。FLUENT中的离散相缺省边界条件为

21、：1.壁面（wall） 对称面（symmetry） 轴対称的轴线（axis）均为reflect边 界条件，且恢复系数均为1.0；2.所有的流动类型边界（压力入I I-pressure inlets速度入口-velocity inlets压力 Hl I I-pressure outlets 等），均为escape边界条件；3.所有的部区域边界（辐射体-radiator、多孔介质间断jil- porous jump）均为边 界条件；4.有对壁面边界（wall）才可以修改恢复系数。注意：在Boundary Conditions面板打开的面板中可以设定离散相边界条件。设 定完一个以上的喷射源之后，离散

22、相边界条件的输入项就会出现在相应的面板 中。4模拟结果及后处理颗粒轨道的输出时，颗粒的可能的结果如下：1.Escaped；（地逸）意味着颗粒在行役定了逃逸边界条件的流动边界终上了 轨迹的计算。2.Incomplete；（未完成）：意味着颗粒轨迹的讣算时间步氏.经达到设定的 iz大步数（在Discrete Phase Model panel 面板中的Max. Number Of Steps 文本框 中设定，）3.Trapped：（捕获）：意味着颗粒在已经设定了捕集边界条件的流动边界终 止了轨迹的计算。4.Evaporated：（蒸发）：意味着颗粒在计算域中被完全蒸发掉了。5.Aborted：（忽

23、略）：意味着颗粒由于舍入误差原因而不能进行计算。用户 可以修改长度标尺或设定不同的初始条件来重新计算颗粒轨迹。需要注意的是，除了用连续相的变量值来着色颗粒轨迹外，也可以使用离散 相的各种变量值来进行着色。这些变量值包括：颗粒（已停留）时间、颗粒速度、 颗粒直径、颗粒密度、颗粒质量、颗粒温度、颗粒所使用的定律、颗粒（积分） 时间步长、颗粒雷诺数。在Color By类LI框下的Particle Variables.下拉框中列出 了所有可选的着色颗粒变量。为了显示计算域的最大/最小值，可以点击Update Min/Max按钮更新。DPM模型的基本操作和注意事项1 DPM模型概述DPM模型可以用来模拟

24、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

25、多种离散相的问题进行模弼包括颗 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。肖需要在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“Discrete Phase Model”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：对于稳态问题，可采用以下步骤求解：1.求解连续相流动；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

26、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倉；I逼 匚霍松之1 J * i ,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，通常悄况下这一体积分数要小于10%20%。 但是，这并不童味着在应川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。*【(1)如果颗粒是以喷射的形式进入连续

27、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；(2)如果颗粒相在连续相中处十一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.

28、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 间耦合讣算也失去了意义。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-inabsolute-frameo 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 基于勺地坐标系定义的，如果你激活了track-in-absolute-frame (方法如前所述)， 颗粒速度就基于绝

29、对坐标系来定义。3. DPM模型的傻瓜用法所谓的傻瓜用法，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， 但这也确实是能让新手尽快上路的好办法，当然，有可能计算的结果不准确，但 对于简单的流场来讲，应该还可以接受，对于稍复杂的情况，即便是老手，也不 敢保证一次建模、一次讣算就能得到满意的结果，所以，慢慢调试吧!对于稳态 的丄况，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

30、说明傻瓜用法的操作步骤：1.通过Define-*Models-*Discrete Phase来打开DPM模型的控制面板，2.选中interaction with Continuous Phase：3.将Number of Continuous Phase Iterations per DPM Iteration 置为20；4.选中Specify Length Scale,将Length Scale 置为0.01,注意Length Scale 后面的 单位是m；5.粗略佔汁颗粒的行程，然后用该行程除以Length Scale,得到的值就是Max. Number Of Steps 要输入的值。（实

31、际上，Length Scale 与Max.Number Of Steps 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. Number Of Steps 的值。）6.点击面板下方的injections,弹出Injections面板，再点击Create,弹出Set Injection Properties面板，在此面板中设定颗粒的属性。7.在Point Properties下输入颗粒的各种参数;8.在Turbulent Dispersion 下激活Stochastic Tracking 选项，将Number of Tries 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。我们先看看燃烧中的组分输运和有反应流动该如何处理。这是燃烧问题中很重要 的一部分，前人发展了很多模型来处理不同的具体问题：a） 通用有限速度模型该方法基于组分质量分数的输运方程，采用你所定义的化学反应机制，对化 学反应进行模拟。反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中 的，计算反应速度有几种方法:从Arrhenius速度表达式计算，从Magnus se