FLUENT操作过程及参数选择.docx
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FLUENT操作过程及参数选择
振动流化床仿真操作过程及参数选择
1创建流化床模型。
根据靳海波论文提供的试验机参数,创建流化床模型。
流化床直148mm,高1m,开孔率9%,孔径2mm。
在筛板上铺两层帆布保证气流均布。
因为实验机为一个圆形的流化床,所以可简化为仅二维模型。
而实际实验中流化高度远小于1m,甚至500mm,所以为提高计算时间,可将模型高度缩为500mm。
由于筛板上铺设两层帆布以达到气流均分的目的,所以认为沿整个筛板的进口风速为均匀的。
最终简化模型如下图所示:
上图为流化后的流化床模型,可以看出流化床下端的网格相对上端较密,因为流化行为主要发生的流化床下端,为了加快计算时间,所以采用这种下密上疏的划分方式。
其中进口设置为velocityinlet;出口设置为outflow;左右两边分为设置为wall。
在GAMBIT中设置完毕后,输出二维模型vfb.msh。
outflow边界条件不需要给定任何入口的物理条件,但是应用也会有限制,大致为以下四点:
1.只能用于不可压缩流动
2.出口处流动充分发展
3.不能与任何压力边界条件搭配使用(压力入口、压力出口)
4.不能用于计算流量分配问题(比如有多个出口的问题)
2打开FLUENT,导入模型vfb.msh
点击GRID—CHECK,检查网格信息及模型中设置的信息,核对是否正确,尤其查看是否出现负体积和负面积,如出现马上修改。
核对完毕后,点击GRID-SCALE弹出SCALEGRID窗口,设置单位为mm,并点击changelengthunit按钮。
具体设置如下:
3设置求解器
保持其他设置为默认,更改TIME为unsteady,因为实际流化的过程是随时间变化的。
(1)pressurebased求解方法在求解不可压流体时,如果我们联立求解从动量方程和连续性方程离散得到的代数方程组,可以直接得到各速度分量及相应的压力值,但是要占用大量的计算内存,这一方法已可以在Fluent6.3中实现,所需内存为分离算法的1.5-2倍。
densitybased求解方法是针对可压流体设计的,因而更适合于可压流场的计算,以速度分量、密度(密度基)作为基本变量,压力则由状态方程求解。
Pressure-BasedSolver它是基于压力法的求解器,使用的是压力修正算法,求解的控制方程是标量形式的,擅长求解不可压缩流动,对于可压流动也可以求解;Fluent6.3以前的版本求解器,只有SegregatedSolver和CoupledSolver,其实也就是Pressure-BasedSolver的两种处理方法;Density-BasedSolver是Fluent6.3新发展出来的,它是基于密度法的求解器,求解的控制方程是矢量形式的,主要离散格式有Roe,AUSM+,该方法的初衷是让Fluent具有比较好的求解可压缩流动能力,但目前格式没有添加任何限制器,因此还不太完善;它只有Coupled的算法;对于低速问题,他们是使用Preconditioning方法来处理,使之也能够计算低速问题。
Density-BasedSolver下肯定是没有SIMPLEC,PISO这些选项的,因为这些都是压力修正算法,不会在这种类型的求解器中出现的;一般还是使用Pressure-BasedSolver解决问题。
(2)再GRADIENTOPTION选项组中,指定通过哪种压力梯度来计算控制方程中的导数项。
CELL-BASED(按单元中的压力梯度计算)和NODE-BASED(按节点的案例梯度计算)。
Porousformulation选项组用于制定多孔介质速度的方法。
(3)当选择UNSTEADY时,会出现UNSTEASDYFORMULATION选项组,让用户据顶时间相关项的计算公式及方法。
对于巨大多数问题选一阶隐式就足够了。
只有对精度有特别要求时才选二阶隐式。
4设置多相流模型。
设置为欧拉模型,相数设置为2即为两相流,具体设置如下:
在Fluent中,共有三种欧拉-欧拉多相流模型,即VOF(VolumeOfFluid)模型、混合物(Mixture)模型和欧拉(Eulerian)模型。
(1)VOF模型。
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,计算时在整个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、水坝决堤时的水流以及求得任意液-气分界面的稳态或瞬时分界面。
(2)混合物模型。
混合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,混合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、沉降和旋风分离器。
混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。
(3)Eulerian模型。
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。
欧拉模型的应用包括气泡柱、上浮、颗粒悬浮和流化床。
根据振动流化床的实际情况,本论文采用欧拉模型进行模拟。
5设置粘性模型。
第一步,DEFINE-MODELS-VISCOUS,弹出VISCOUSMODEL对话框,选择K-EPSILO模型,点击确定。
第二步,在操作窗口内键入下面的命令:
define/models/viscous/turbulence-expert/low-re-k
屏幕显示:
/define/models/viscous/turbulence-expert>low-re-k
Enablethelow-Rek-epsilonturbulencemodel?
[no]
输入y,在模型选择面板中我们就可以看见低雷模型low-re-kemodel了。
默认使用第0种低雷诺数模型。
第三步,Fluent中提供6种低雷诺数模型,使用low-re-ke-index命令设定一种。
low-re-ke-index
Index
Model
0
Abid
1
Lam-Bremhorst
2
Launder-Sharma
3
Yang-Shih
4
Abe-Kondoh-Nagano
5
Chang-Hsieh-Chen
本仿真中默认使用第0种低雷诺数模型。
标准k-epsilo模型使用与湍流发展非常充分的湍流流动建立的,它是一种针对高雷诺数的湍流计算模型,它比零方程模型和一方程模型有了很大的改进,但是在用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时会产生失真。
而相较标准模型,RNGk-ε模型修正了湍动粘度,考虑了平均流动的旋转及旋流流动情况,可以更好地处理高应变率及流线弯曲成都较大的流动,它还是针对充分发展的湍流,即还是高雷诺数模型。
Realizablek-ε模型一般被应用在包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动等。
由于实际计算出的雷诺数较小,和上述三种湍流模型都不是很匹配。
而在FLUENT提供了数种专家模型,他们针对标准K-ε进行部分修正,使其能够适合低雷诺数使用,即为低雷诺数k-epsilo模型。
6定义材料属性。
DEFINE-MATERIALS,弹出材料对话框,点CREAT按钮,首先选择空气作为气相。
然后点击FLUENTDATABASEMATERIALS按钮,在材料库中任意选择一种流体,点击COPY按钮。
再将该材料的密度及名称改为所需材料的材料属性,设置如下,最后点击CHANGE。
7定义相。
DEFINE-PHASE。
首先定义空气为主相,操作如下:
接着设置次相为固相MILLET。
点millet后点击SET按钮,弹出secondaryphase对话框,进下如下设置。
首先定义材料为GRANULAR,即为颗粒,定义颗粒粒径。
Packedbed为填充床,与实际不符合,故不选择。
颗粒温度模型选择PHASEPROPERTY相属性。
particaldifferentialequation为偏微分方程。
固体剪切粘度包括碰撞和动力部分,摩擦部分。
其中动力部分提供两种表达,默认的是SYAMLALETAL表达,和GIDASPOWETAL表达,通过实验一对比后选择SYAMLALETAL表达式。
固体体积粘度解释为颗粒压缩和扩张的抵抗力,对该项一般不存在争议,目前学术界普遍采用Lunetal的表达式。
本论文的仿真忽略摩擦粘度。
填充限制设置为0.6,即初始固相的体积分数最大为0.6。
设置气固封闭关系:
再PHASE对话框点击INTERACTION,设置气固相相互作用的曳力函数一般为WEN-YU,GIDASPOW,SYAMLAL-OBRIEN三种,实验一得出结论SYAMLAL-OBRIEN更符合实际。
所以选择Syamlal-Obrien曳力函数模型。
(1)Syamlal-O’Brien模型[234]
(
这里曳力函数采用由DallaValle[47]给出的形式:
(
这个模型是基于流化床或沉淀床颗粒的末端速度的测量,并使用了体积分数和相对雷诺数的函数关系式[193]:
(
这里下标是第液体相,是第固体相,是第固体相颗粒的直径。
液体-固体交换系数有如下形式
(
这里是与固体相相关的末端速度[73]:
(
其中
(
对,(
对,(
当固体相的剪切应力根据Syamlaletal定义时[235](方程,这个模型是合适的。
(2)对WenandYu模型[262],液体-固体交换系数有如下形式:
(
这里,
(
数由方程
这个模型适合于稀释系统。
(3)Gidaspow模型[76]是WenandYu模型[262]和Ergun方程[62]的联合。
当时,液体-固体交换系数有如下形式:
(
这里(
当时,
(
对密集的流化床,建议使用这个模型。
由于本流化床内的粒子直径远大于粒子间的距离,这样对接近充满的颗粒包含升力是不合适,所以忽略升力的影响,在LIFT选项选择NONE。
在恢复系数选项下保持默认的设置值0.9。
由于第二相密度远大于第一相,所以可以忽略虚拟质量力。
具体设置如下。
8编译UDF程序。
Define-user-defined-function-compiled,导入程序。
1)voidDEFINE_CG_MOTION(UDFname,Dynamic_Thread*dt,realvel[],realomega[],realtime,realdtime)。
此函数接口用于控制刚体的运动,用户把刚体质心运动速度和角速度分别赋值给vel和omega,FLUENT根据它们的值来自动计算出边界下一步的位置,从而实现动边界的控制; 刚体质心的位置可以在函数接口界面对话框中定义。
DynamicZones中的dwall就是要控制的动边界,MotionUDF/Profile中的stc1sta010a0ph0就是UDFname,从中可看出它已被制定成用于控制dwall,理论上 FLUENT可以通过这种方式实现无穷多个动边界的控制;,
2)voidDEFINE_GEOM(charname,Domain*d,Dynamic_Thread*dt,real*position)。
此函数接口用于控制变形体的边界运动,position就是运动边界上某网格节点的位置值,用户可以通过对其赋值达到控制效果,position[0]对应边界节点的x坐标,
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