1、多 相流 算例 多相流 模拟介绍 在自然 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。 多相流 动模式 根据多相流系统中相的概念，按照下面的原则对多相流分成如下几类： 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。
2、 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
3、 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
4、 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 各流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 内有大 尺度 气泡 的流 动 分层自 由面 流动 例子 ： 分 离器中
5、 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
6、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
7、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 （phasic volume fraction） 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
8、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 （granular flows）,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
9、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（jet breakup ）( 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
10、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
11、 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-defined functions ），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
12、见 FLUENT 中 文帮 助。 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。 具体 采用 何种 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 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
13、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。 DPM 模 型概述 DPM 模 型可 以用 来模 拟流 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
14、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 FLUE
15、NT 可以用 来对 许多 种离 散相 的问题 进行 模拟 ， 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 。 当 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，
16、 仅供 参考 （一） 对于 稳态 问题 ，可 采用以 下步 骤求 解： 1. 求解 连续 向流 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 （二） 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
17、 模 型进行 计算 时， 需要 注意 DPM 模 型忽 略了 两相 流中 颗粒之 间的相 互作 用， 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 情况 下这 一体积 分数 要小 于 10% 20% 。 但是 ， 这并 不意 味着 在应用 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 。 如果颗 粒是 以喷 射的 形式 进入连 续相 的， 而且 流场 中有明 确的 入口 和出 口， 这种情 况下
18、可 以使 用稳 态的 DPM 模型 来计 算； 如果颗 粒相 在连 续相 中处于 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
19、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. 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 计算 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-in- absolute-frame 。
20、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 当地坐 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 对坐 标系 来定 义。 3 DPM 模 型的 简便 用法 所谓的 简便 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
21、行 求解 。 我们不 提倡 这样的 做法 ， 不敢保 证一 次建模 、 一次 计 算就能 得到 满意 的结 果， 所以， 需要 使用 者的 慢慢 调试! 对于稳 态的 工况 ， 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 。 下面说 明 DPM 简 便用 法的 操作步 骤： 1. 通过 DefineModelsDiscrete Phase 来 打开 DPM 模
22、型 的控 制面 板， 如图 1 所 示； 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 估计 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。 （ 实际 上
23、，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， 如图 2 所 示。 7. 在 Point Propertie
24、s 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， 这样便 节省 了大 量的 时间 ， 起到 事半 功倍 的效果 。 物理模型结构示意图 1.CAD 模型 的建 立 利用 CAD2004 建 立旋 风分离 器 的三 维模 型。 图1 旋风 分离 器的 CAD 三维模 型 图 2 输出
25、 分离 器模 型 将分离 器模 型选 中以 后， 输出 ACIS 文件， 界面 如 下： 图3 将 CAD 模 型保 存为 sat 格式 图 4 Gambit 读入 ACIS 文件 图 5 体 积和 面的 操作 划分网 格（ 在这 里， 选择 三个体 进行 直接 划分 网格 ） 图 6 网格 划分 网 格 划分 格式 选择：Elements 选 择：Tet/Hybrid 格式；Type 选择：TGrid 格 式；Interval size 选 择为 1.5 。 图 7 Mesh Volumes 对话框 图 8 网格 生成 网格化 好以 后， 进行 边界 条件设 置。 为了 便于 观察 ，在试
26、图选 项中 ，Mesh 选项 中 选择 OFF 关闭网格。 图9 specity Display Attributes 对 话框 边界条 件设 置： 将分 离器 的入口 选择 为速 度入 口： 图 10 分离 器的 速度 入口设 置 分 离 器的 出口 选择为 outflow 形式边 界条 件: 图11 分离 器的 速度 出口设置 将分离 器最 底部 集灰 斗的 地面定 义 为 trap，便 于后面 颗 粒相 的设 置。 图 12 分离 器最 底部 集灰斗 设置 保存网 格文 件： 图 13 网格 文件 保存 利用 Fluent 将网格 文件 读 入： 图 14 网格 文件 的读 入 图 15
27、 网格 读入 的信 息 对网格 进行 尺寸 设置 ： 选 择 网格 尺寸为 cm 点击 Change Length Units 然后 点击 Scale 选项 。 之 后， 可以看 到 X 、Y 、Z 方向 的尺 寸范围 ： 图 16 网格 进行 尺寸 设置 选择 Smooth/Swap 命令 对网 格 进行 光滑 和替 换： 图 17 网格 的光滑 和替 换处理 图 18 选择 湍流 模型 图 19 湍流 模型 的设 置 图 20 操作 条件 的选 择 图 21 操作 条件 的设 置 注意： 重力 设置 在 Z 轴负方 向 ，大 小为 9.81 图 22 边界 条件 的选 择 首先设 置入 口
28、边 界条 件： 点击 set 打 开入 口 边界 条件界 面 ，选择 Intensity and Hydraulic Diameter 下拉选项 ，湍流 强度和 水力 直径 分别 设置 为 4.19 和 3.28 。 入口 速度选 择为 10m/s 。 图 23 设置 边界 条件 图 24 速度 进口 边界 条件 的 设置 同样方 法， 打开 出口 边界 条件， 选用 默认 值。 图 25 速度 出口 边界 条件的设置 初始化 ： 图 26 求解 初始 化 取入口 边界 条件 为初 始化 条件： 点 击 Init 进行初始 化 图 27 设置 求解 初始 化参 数 图 28 残差 的选 择 点
29、击 Plot 选 项， 可以 显示残 差 曲线 图 29 残差 的设 置 图 30 求解 迭代 的 选择 迭代次 数选 择 1000 次 点击 Iterate 进行 迭代 图 30 求解 迭代 的 设置 图 31 残差 曲线 的显 示 图 32 求解 面的 设置 选择 Grid-Z-Coordinate, 设置 Is0_Values=60，则 得到一 个 Z=60 的截 面： 图 33 求解 面的 参数 设置 图 34 速度 分布 显示 设置 将 Filled 复选框 选中， 然 后选 择 Velocity_Tangential Velocity ， 接着选 取上 一步 建立的 截 面：Z-c
30、oordinate-60 这 个面 。 图 35 Contours 对话 框 图 36 切线 速度 分布 其他的 流场 参数 ，如 压强 、湍流 强度 等也 可以 按以 上方法 进行 显示 。 颗粒相 的加 入， 在 连续 相计 算 收敛 以后 ，加 入粒 子， 进 行两 相流 模拟 。设 置方 法如下： 图 37 DPM 模型 选择 选中 Interaction with Continuous Phase 复选 框， 与连续 相 进行 耦合 ，将 Max.Number of Steps 改为 5000 次。 图 38 DPM 模型 设置 然后点 击 Injections 进入 颗 粒相的 参
31、数 的设 置： 图 38 Injections 对话框 点击 Create 按钮 ，创 建： 选择粒 子入 流形 式：Surface 面源， 然后由 inlet 入口进 入 分离 器。 在 Material 下拉列 表 中选择 颗粒 的类 型， 这里 选择煤 粉。 粒径 分布 形式 ：Diameter Distribution 选择为 uniform 。 然后选 择颗 粒的 粒径 、入 流速度 以及 流量 。 图 39 Set Injection Propertion 对 话框 点击材 料选 项: 图 40 定义 材料 的选 择 选择先 前建 立的 颗粒 相数 据： 图 41 材料 的设 置
32、图 42 颗粒 相边 界条 件设置 Trap 面 的 边界 类型 选择为 trap 类 型， 图 43 颗粒 相边 界条 件设置 outlet 这个面 的边 界条 件类 型选择 为 escape 类型 。认 为颗粒 到达 这个 面以 后逃 逸。 图 44 outlet 边界 条件 设置 重新选 择较 为合 理的 收敛 因子： 图 45 求解 迭代 的选 择 图 46 求解 设置 由于连 续相 流场 已经 收敛 ，计算 颗粒 相的 时候 ，应 当把收 敛条 件设 置的 更为 严格： 图 47 残差 监视 器的 设置 图 48 残差 曲线 的显 示 迭代收 敛后 ，可 以查 看分 离器内 部粒 子的 运行 轨迹 ： 图 49 分离 器内 部粒 子的运 行 轨迹
