第19章离散相模型.docx
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第19章离散相模型
19.离散相模型
本章介绍FLUENT中可供选择的拉格朗日离散相模型及其使用方法。
本章内容的组织如下:
19.1离散相模型概述与应用范围
19.2离散相的轨道计算
19.3传热与传质的计算
19.4射流(雾化)模型
19.5连续相与离散相的相间耦合
19.6离散相模型的使用方法概述
19.7离散相模型的选择
19.8非稳态颗粒的计算
19.9离散相的初始条件设定
19.10离散相的边界条件设定
19.11离散相的介质属性设定
19.12离散相的计算过程
19.13离散相的后处理
19.1离散相模型概览与其应用范围
19.1.1简介
19.1.2湍流中的颗粒处理方法
19.1.3应用范围
19.1.4离散相模型的求解过程概述
19.1.1简介
除了求解连续相的输运方程,FLUENT也可以在拉氏坐标下模拟流场中离散的第二相。
由球形颗粒(代表液滴或气泡)构成的第二相分布在连续相中。
FLUENT可以计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量/质量传递。
相间耦合以及耦合结果对离散相轨道、连续相流动的影响均可考虑进去。
FLUENT提供的离散相模型选择如下:
对稳态与非稳态流动,可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性、曳力、重力
预报连续相中,由于湍流涡旋的作用而对颗粒造成的影响
离散相的加热/冷却
液滴的蒸发与沸腾
颗粒燃烧模型,包括挥发份析出以及焦炭燃烧模型(因而可以模拟煤粉燃烧)
连续相与离散相间的耦合
液滴的迸裂与合并
应用这些模型,FLUENT可以模拟各种涉及离散相的问题,诸如:
颗粒分离与分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉燃烧。
19.2-19.5介绍离散相计算中所用到的物理方程;设定、求解和后处理在19.6-19.13中介绍。
19.1.2湍流中的颗粒
随机轨道模型或颗粒群模型(19.2.2)可考虑颗粒湍流扩散的影响。
在随机轨道模型中,通过应用随机方法(19.2.2)来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。
而颗粒群模型则是跟踪由统计平均决定的一个“平均”轨道(19.2.2)。
颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率分布函数(PDF)。
两种模型中,颗粒对连续相湍流的生成与耗散均没有直接影响。
19.1.3应用范围
颗粒体积分数的适用范围
FLUENT中的离散相模型假定第二相(分散相)非常稀薄,因而颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。
这种假定意味着分散相的体积分数必然很低,一般说来要小于10-12%。
但颗粒质量承载率可以大于10-12%,即用户可以模拟分散相质量流率等/大于连续相的流动。
参阅第十八、二十章来确定具体多相
流问题中的适用模型。
模拟连续相中悬浮颗粒的限制
稳态拉氏离散相模型适用于具有确切定义的入口与出口边界条件问题,不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题,这类问题经常出现在处理封闭体系中的悬浮颗粒过程中,包括:
搅拌釜、混合器、流化床。
但是,非稳态颗粒离散相模型可以处理此类问题。
参阅第十八、二十章来确定具体多相流问题中的适用模型。
在FLUENT的其它模型中应用离散相模型的限制
一旦使用了离散相模型,下面的模型将不能使用:
选择了离散相模型后,不能再使用周期性边界条件(无论是质量流率还是压差边界条件)
可调整时间步长方法不能与离散相模型同时使用
预混燃烧模型中只能使用非反应颗粒模型
同时选择了多参考坐标系与离散相颗粒模型时,在缺省情况下,颗粒轨道的显示失却了其原有意义;同样,相间耦合计算是没有意义的。
在多参考坐标系下跟踪颗粒以及计算相间耦合的解决办法是选择基于流体的绝对速度而不是相对速度。
相应的调整如下:
在文本命令窗口下define/models/dpm/tracking/track-in-absolute-frame。
应该指出的是,在基于绝对速度跟踪颗粒时,可能引起不合理的颗粒-壁面相互作用。
颗粒的喷入速度(在SetInjectionProperties面板里设定)是基于参考坐标而定义的,因而,颗粒的跟踪也是基于这个设定的坐标。
缺省情况下,颗粒的喷入速度是基于当地坐标系。
如果你激活了track-in-absolute-frame选项,那么,其喷入速度将会是基于绝对坐标系定义的速度。
19.1.4离散相模型的求解过程概述
在FLUENT模型中,你可以通过定义颗粒的初始位置、速度、尺寸以及每个(种)颗粒的温度来使用此模型。
依据对颗粒物理属性的定义而确定的颗粒初始条件可以用来初始化颗粒的轨道和传热/质计算。
当颗粒穿过流体运动时,颗粒的轨道以及传热量、传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流/辐射引起的热量/质量传递来进行计算。
可通过图形化界面或文本界面输出计算出的颗粒轨道以及相应的传热/质量。
既可以通过在一个固定的流场中(非耦合方法)来预测离散相的分布,也可以在考虑离散相对连续相有影响的流场(相间耦合方法)中考察颗粒的分布。
相间耦合计算中,离散相的存在影响了连续相的流场,而连续相的流场反过来又影响了离散相的分布。
可以交替计算连续相和离散相直到两相的计算结果都达到收敛标准。
细节请参阅19.5。
稳态问题的求解步骤
稳态离散相问题的设定、求解的一般过程如下:
1求解连续相流场
2创建离散相喷射源(射流源)
3求解耦合流动(如果希望计算的话)
4用PLOT或REPORT图形界面来跟踪离散相
非稳态问题的求解步骤
非稳态离散相问题的设定、求解的一般过程如下:
1创建离散相喷射入口
2初始化流场
3设定求解的时间步长和时间步数。
在每个时间步,颗粒的位置将得到更新。
如果求解问题是非耦合流动,那么,颗粒的位置在每个时间步计算完成之后得到更新的;如果是耦合流动,那么,颗粒的位置在每个时间步内的相间耦合迭代计算过程中都会得到更新。
19.2轨道的计算
19.2.1颗粒运动方程
19.2.2颗粒湍流扩散
19.2.3颗粒磨蚀与沉积
19.2.1颗粒运动方程
颗粒的力平衡
FLUENT中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(液滴或气泡)的轨道。
颗粒的作用力平衡方程(颗粒惯性=作用在颗粒上的各种力)在笛卡尔坐标系下的形式(x方向)为:
(19.2.1)
其中(
)为颗粒的单位质量曳力,其中其中,
(19.2.2)
u为流体相速度,
为颗粒速度,
为流体动力粘度,
为流体密度,
为颗粒密度(骨架密度),
为颗粒直径,Re为相对雷诺数(颗粒雷诺数),其定义为:
(19.2.3)
曳力系数
可采用如下的表达式:
(19.2.4)
对于球形颗粒,在一定的雷诺数范围内,上式中的
为常数[MorsiandAlexander[163]]。
DC也可采用如下的表达式:
19.5离散相与连续相间的耦合
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计算中去。
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。
交替求解离散相与连续相的控制方程,直到二者均收敛(二者计算解不再变化)为止,这样,就实现了双向耦合计算。
图19.5.1示意了两相之间的热量、质量与动量间的交换。
19.6离散相模型使用概述
下面简要叙述涉及到离散相的设定、计算步骤。
细节请参阅19.7-19.13。
这里只介绍涉及到离散相模型的相关步骤。
若要了解与离散相耦合计算时所涉及到的其它模型中所要求的输入信息,请参阅与那些模型相关的部分。
1按19.7节所叙述的方法激活任一与离散相相关的模型。
2若使用非稳态颗粒跟踪模型,请按19.8节所叙述的方法定义非稳态参数
3按19.9节所叙述的方法设定初始条件
4按19.10节所叙述的方法设定边界条件
5按19.11节所叙述的方法设定介质属性
6按19.8节所叙述的方法查看结果
19.7离散相模型选项
这一节介绍FLUENT中可选的离散相模型的使用方法。
在离散相面板(DiscretePhaseModel)里可激活下述的所有选项。
Define→Models→DiscretePhase...
图表19.7.9离散相模型面板
19.7.1考虑颗粒热辐射
如果要考虑颗粒的热辐射效应(方程11.3-20),用户必须在离散相模型面板里激活颗粒辐射选项(ParticleRadiationInteraction)。
用户还必须如19.11.2节所述的方法设定颗粒属性的其它性质(发射率、散射率)。
只有选择了P1模型或离散发射模型时才具有此选项。
19.7.2考虑颗粒的热泳力
如果要考虑颗粒的热泳力(方程19.2-14),用户必须在离散相模型面板里激活颗粒辐射选项(ParticleRadiationInteraction)。
用户还必须如19.11.2节所述的方法设定颗粒的热泳力系数
缺省情况下,颗粒的传热\传质方程使用分离求解算法求解。
若用户激活了CoupledHeat-MassSolution选项,FLUENT将用一个具有误差精度控制的刚性耦合的ODE(常微分方程)求解器来求解这些方程组。
这样就提高了计算精度,但代价是增加了计算量。
19.7.4考虑颗粒的布朗运动
对于层流中的亚观粒子,用户可能希望考虑布朗运动(细节请参阅19.2.1)对颗粒轨道的影响。
若希望如此,在离散相模型面板(DiscretePhaseModelpanel.)里激活布朗运动选项(BrownianMotion)即可3。
当考虑布朗运动时,用户最好在DragParameters属性框里的下拉框DragLaw中选择Stokes-Cunningham曳力定律选项。
19.7.5考虑颗粒的Saffman升力
对于亚观粒子,用户也可以模拟由于剪切力所带来的升力(Saffman升力,细节请参阅19.2.1)对颗粒轨道的影响。
若希望如此,请在DiscretePhaseModelpanel面板中激活SaffmanLiftForce选项。
19.7.6监视颗粒在壁面的磨蚀/沉积
可以监视颗粒所引起的壁面磨蚀/沉积速率。
选择了两相间的耦合后(即激活了InteractionwithContinuousPhase选项),就可以在DiscretePhaseModelpanel激活该选项以计算磨蚀/沉积速率。
一旦激活Erosion/Accretion选项后,当颗粒轨道在更新过程中,就可以计算颗粒在壁面的磨蚀/沉积速率。
对每个壁面区域,用户需要在壁面边界条件面板中(细节请参阅19.10.2)设定侵入角(ImpactAngleFunction,方程19.2-62中的fa)、直径函数(方程19.2-62总的Cdp)、速度指数函数(方程19.2-62中bv的)。
19.7.7颗粒曳力的选项
在DragParameters属性框中的DragLaw下拉框中可以选择五种颗粒曳力定律。
其中,spherical,non-spherical,Stokes-Cunningham,以及high-Mach-number曳力定律(细节请参阅19.2.1)总是可选的,但dynamic-drag定律(细节请参阅19.4.4)只有在用户计算非稳态颗粒跟踪时选择了某种液滴破碎模型之后才是可选的。
请参阅19.8.2以获得详细的液滴破碎模型说明。
若选择了spherical、high-Mach-number或dynamic-drag定律,那么,就不需要用户再提供其他的输入项。
若选择了nonspherical定律,用户还得设定颗粒形状系数(ShapeFactor,方程19.2-7中的Ф)。
若选择了Cunningham定律,用户需要设定卡宁修正系数(Cunningham
Correctionfactor方程19.2-9中的Cc)。
19.7.8用户定义函数
用户可以使用用户定义函数来定制离散相模型,在这些函数中可以考虑附加的体力项、修订的相间交换项(作为源项)、沿着颗粒轨道计算或积分某一标量值、计算非标准磨蚀速率。
关于用户定义函数请参阅单独的UDFManual文档。
DiscretePhaseModelpanel面板中,在用户定义函数属性框(User-DefinedFunctions)中,列出了BodyForce,Source,和ScalarUpdate三个下拉框。
若在Options属性框中激活了Erosion/Accretion选项,那么,User-DefinedFunctions下将会出现一个Erosion/Accretion.下拉框。
这些下拉框表示在FLUENT中有那些用户定义函数是可选的,以让用户来自己定制离散相模型。
(即在离散性模型方程中只有在下拉框中出现的那些项才是可修改的)
19.8非稳态颗粒跟踪
这一节介绍离散相模型中非稳态颗粒跟踪问题。
需要注意的是,在非稳态离散相计算中,用户不能使用可调整时间步长算法。
19.8.1非稳态颗粒跟踪的输入
对于瞬态流动模拟,颗粒轨道的计算可以先于流体流动计算。
若用户在DiscretePhaseModelpanel面板中的UnsteadyParameters属性框中激活了UnsteadyTracking选项,particleswillbeadvancedbytheflowtimestepeachtimetheflowsolutionisadvancedintime。
在瞬态流动中也可以考虑相间耦合计算。
在每一个迭代时间步长内,依据在NumberOfContinuousPhaseIterationsPerDPMIteration设定的迭代步数进行颗粒轨道的迭代计算。
!
!
当选择了显式耦合求解器时,在时间推进上将使用显式格式进行耦合计算,此时,在每个时间步,颗粒计算先于流体计算,并且是在每个时间步的开始进行计算。
对于每个喷入口,需要在SetInjectionPropertiespanel.面板里设定额外的输入。
用户必须在PointProperties属性框中设定喷入的StartTime与StartTime。
若把起始与结束时间均设为零,就意味着颗粒仅在计算的开始时刻(t=0)喷入流场。
在瞬态计算过程中,改变喷入口的设定,并不会影响到已被释放到流场中的颗粒的状态。
在瞬态计算的任一时刻,用户可以通过“清零”(在DiscretePhaseModelpanel.点击ClearParticles按钮)把当前存在于流场中的所有颗粒全部去除。
在非稳态计算中,若用户希望存储颗粒的历史,可以用File/Write/StartParticleHistory...菜单项来设定存储颗粒历史数据的文件名。
File→Write→StartParticleHistory...
这样,在计算过程中,FLUENT将记录每个颗粒在时间步的位置、速度以及其他信息数据。
要关闭颗粒历史存储选项,依次选择File/Write/StopParticleHistory菜单项。
File→Write→StopParticleHistory
19.8.2射流雾化选项
当用户激活了非稳态颗粒跟踪选项后,DiscretePhaseModel将会扩展,出现与射流雾化相关的选项。
模拟射流雾滴破碎
为了激活雾滴破碎模型,需要在SprayModels下激活DropletBreakup选项,然后选择一种期望的模型(TAB或波动模型)。
关于两种模型的细节请参阅19.4.3。
对于TAB模型,用户需要在y0文本框中设定y0(方程19.4-51中的初始时刻的液滴变形值)的值。
对于波动模型,用户需要在C0,C1文本框中设定C0,C1的值(方程19.4-72中速度势函数与流函数的积分常数)。
一般说来,用户不必修改B0(方程19.4-80中的模型常数)的数值,其缺省值0.61几乎适用于各种情况。
需要注意的是,在使用某种射流雾化模型之后,用户可以使用动态曳力模型。
请参阅19.7.7以了解如何选择曳力定律的信息。
模拟液滴合并
为了考虑液滴合并(细节请参阅19.4.2)的影响,请在SprayModels下激活DropletCollision选项。
此种情况下,不需要其他的用户输入。
19.9离散相的初始条件设定
19.9.1初始条件设定概述OverviewofInitialConditions
19.9.2射流源类型InjectionTypes
19.9.3颗粒类型ParticleTypes
19.9.4创建、复制、删除、列出射流源Creating,Copying,Deleting,andListingInjections
19.9.5定义射流源属性DefiningInjectionProperties
19.9.6单射流源的点属性设定PointPropertiesforSingleInjections
19.9.7组射流源的点属性设定PointPropertiesforGroupInjections
19.9.8圆锥射流源的点属性设定PointPropertiesforConeInjections
19.9.9面射流源的点属性设定PointPropertiesforSurfaceInjections
19.9.10平口雾化喷嘴的点属性设定PointPropertiesforPlain-OrificeAtomizerInjections
19.9.11压力-旋流雾化喷嘴的点属性设定PointPropertiesforPressure-SwirlAtomizerInjections
19.9.12空气辅助雾化喷嘴的点属性设定PointPropertiesforAir-Blast/Air-AssistAtomizerInjections
19.9.13平板扇叶雾化喷嘴的点属性设定PointPropertiesforFlat-FanAtomizerInjections
19.9.14气泡雾化喷嘴的点属性设定PointPropertiesforEffervescentAtomizerInjections
19.9.15模拟颗粒湍流扩散ModelingTurbulentDispersionofParticles
19.9.16定制颗粒定律CustomParticleLaws
19.9.17对多于一个射流源的共同属性的设定DefiningPropertiesCommontoMoreThanOneInjection
19.9.1初始条件设定概述OverviewofInitialConditions
在FLUENT中的离散相计算中,用户的主要输入项是初始条件项。
初始条件定义了离散相每组颗粒流的起始位置、速度、及其他各种参数。
这些初始条件构成了决定每个颗粒的瞬时状态值的颗粒因变量的初值。
颗粒位置(x,y,z坐标)
颗粒速度(u,v,w)。
在三维情况下,可以用速度模和喷射锥角来定义初始速度(细节请参阅19.9.8).对运动坐标系,应该设定相对速度
颗粒直径dp
颗粒温度Tp
沿着每个颗粒。
/液滴轨道的颗粒流的质量流率
(只有考虑相间耦合时才是必须要设定的)
其他的用于射流源处的各种参数(如果选择了某种雾化模型,请参阅19.4.1)
!
!
当选择了某种雾化模型之后,由于液膜及线状液膜破碎的复杂性,用户不必设定液滴的初始直径、速度以及位置。
此时,用户设定不是初始条件,而是雾化模型中全局参数。
当颗粒沿着其轨道运动时,这些变量通过运动方程(19.2节)、传热/传质方程(19.3节)而得到更新。
只要计算机有足够的内存,用户可以对离散相的颗粒/液滴设定任意多的不同初始条件。
(即颗粒数目设定没有程序上的限制)
19.9.2射流源类型
只要创建一个射流源(injection),并且对其设定了各种属性,用户就可以对颗粒/液滴定义初始条件。
FLUENT提供了10种类型的射流源:
单点射流源single
组射流源group
锥形射流源(仅适用于三维情况)cone(onlyin3D)
面射流源surface
平口雾化喷嘴plain-orificeatomizer
压力-旋流雾化喷嘴pressure-swirlatomizer
平板扇叶flat-fanatomizer
空气辅助雾化air-blastatomizer
气泡雾化喷嘴effervescentatomizer
从文件中读取射流源数据readfromafile
对每种非雾化喷嘴类型的射流源,用户必须设定19.9.1节所介绍的每种初始条件、具有这些初始条件的颗粒类型以及任何与所选颗粒类型相关的参数。
若仅希望对每种初始条件设定单值,用户应该创建单点射流源(如图19.9.1所示);若希望对初始条件设定为一个范围(即一个尺寸范围或初始位置范围),应该创建一个组射流源(如图19.9.2所示);若定义一个三维情况下的中空锥形射流源,应创建一个锥形射流源(如图19.9.3所示);若想在一个面(既可以是区域面(zonesurface)也可以是在Surface菜单中定义的表面)上抛撒颗粒,应该创建一个面射流源(若用户创建了面射流源,颗粒流将在所设定面上的每个子面被抛撒出去)。
在三维情况下,用户可以使PlaneSurface面板中的Bounded和SamplePoints选项来创建一个关于颗粒的矩形网格射流源(这个网格仅对颗粒而言,不是流体计算用的网格,细节请参阅24.6节)。
若上述的射流源类型不能表示出用户所需要设定的射流源,那么,也可以从外部文件中读取数据获得颗粒的初始条件(颗粒位置、速度、直径以及质量流率)。
这个文件应具有下列形式:
((xyzuvw直径温度质量流率)名称)所有参数应使用国际单位制(SI)。
第二个括号(里层括号)内的参数是必需的,但名称是可选的。
设定射流源所需的输入项的细节请参阅19.9.5节。
图表10单点颗粒流射流源图表11具有初始空间分布的颗粒射流源图表12定义了射流初始速度分布的射流源
19.9.3颗粒类型
当设定一系列初始条件时(如19.9.5节所述),用户还应该定义颗粒类型。
可以使用的颗粒类型依赖于用户在Models之类面板中已经设定好的物理模型类型。
惯性颗粒(``inert'')是服从力平衡(方程19.2-1)以及受到加热/冷却影响(由定律1确定,请参阅19.3.2)的一种离散相类型(颗粒、液滴或气泡)。
在FLUENT任何模型中,惯性颗粒总是可选的。
液滴(``droplet'')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
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