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）

landZ-Center区设定。

lOrigin,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-granularEuleriansimulation,iftheinterphasedraglawsare

unknownortheirapplicabilitytoyoursystemisquestionable,themixturemodelmaybeabetterchoice.Formostcases

withsphericalparticles,thentheSchiller-Naumannlawismorethanadequate.Forcaseswithnon-sphericalparticles,then

auser-definedfunctioncanbeused.

加快收敛求解策略

Youcanincreasethesizeofthetimestepafterperformingafewtimesteps.Forsteadysolutionsitisrecommendedthat

youstartwithasmallunder-relaxationfactorforthevolumefraction,Anotheroptionistostartwithamixturemultiphase

calculation,andthenswitchtotheEulerianmultiphasemodel.

VOF模型

界面之间的scalar梯度不要太大

界面插值：

therearefourschemeforinterfaceinterpolation:

geometricreconstruction,donor-acceceptor,eulerexplicit,

inexplicit,Thegeometricreconstructionschemerepresentstheinterfacebetweenfluidsusingapiecewise-linearapproach.

InFLUENTthisschemeisthemostaccurateandisapplicableforgeneralunstructuredmeshes.thedonor-acceptorschemecan

beusedonlywithquadrilateralorhexahedralmeshes.Theimplicitschemecanbeusedforbothtime-dependentandsteady-state

calculations.

Eulermodel中的附加作用力

LiftForces:

Inmostcases,theliftforceisinsignificantcomparedtothedragforce,sothereisno

reasontoincludethisextraterm.Iftheliftforceissignificant（e.g.,ifthephasesseparate

quickly）,itmaybe