【多相流】fluent中如何選擇多相流模型?(2)

【多相流】fluent中如何選擇多相流模型?(2)的圖1

計算流體力學的發展為進一步了解多相流的動力學特性提供了基礎。目前多相流數值計算主要有兩種方法:歐拉-拉格朗日法和歐拉-歐拉法。

01— fluent中的多相流模型


在歐拉-歐拉方法中,不同的相在數學上被視為相互滲透的連續相。由于某一相的體積不能被其他相所占據,因此引入了相體積分數的概念。假設這些體積分數是空間和時間的連續函數,它們的和等于1。推導出各相的守恒方程,得到各相具有相似結構的方程組。這些方程通過提供從經驗獲得的本構關系而封閉,或者,在粒狀流動的情況下,通過動力學理論的應用而封閉。在 ANSYS Fluent中,提供了三種歐拉多相流模型: volume of fluid (VOF) 模型, mixture模型, 和 Eulerian 模型。
  • VOF模型

VOF模型是一種應用于固定歐拉網格的表面跟蹤技術。VOF模型用于兩種或多種不混溶的流體,而流體之間的界面位置是我們感興趣的。在VOF模型中,流體共享一組動量方程,并且在整個域中跟蹤每個計算單元中每種流體的體積分數。VOF模型可應用于: 分層流動、自由表面流動、填充、晃動、大氣泡在液體中的運動、潰壩后液體的運動、射流破裂的預測(表面張力)以及任何液-氣界面的穩態或瞬態跟蹤。
  • Mixture模型

混合模型可用于兩種或兩種以上的相(流體或顆粒)。在歐拉模型中,相被視為相互滲透的連續體。混合模型求解混合動量方程,用相對速度來描述分散相。混合模型可應用于: 低負荷顆粒流、氣泡流、沉降和旋風分離器。混合模型也可以用于沒有相對速度的分散相來模擬均勻多相流。
  • Eulerian模型

歐拉模型是ANSYS Fluent中最復雜的多相流模型。它要為每一項求解一系列的動量和連續性方程。通過壓力和相間交換系數實現了耦合。處理這種耦合的方式取決于所涉及相的類型:顆粒狀(流體-固體)流動與非顆粒狀(流體-流體)流動的處理方法不同。對于粒狀流動,應用動力學理論得到顆粒流的性質。兩相之間的動量交換也取決于所模擬的混合物的類型ANSYS Fluent的用戶定義函數可用來定義計算動量交換。歐拉多相流模型可應用于: 氣泡塔、提升器、顆粒懸浮和流化床

02— 多相流模型的對比

一般情況下,一旦確定了最能代表你的多相系統的流型,就可以根據以下指導原則選擇合適的模型:
  • 對于相混合或分散相體積分數超過10%的含氣泡、液滴和顆粒流,使用混合物模型或歐拉模型。
  • 對于段塞流,使用VOF模型。
  • 對于分層/自由表面流,使用VOF模型。
  • 對于氣動輸送,對于均勻流使用混合物模型,對于顆粒流使用歐拉模型。
  • 對于流化床和顆粒流使用歐拉模型。
  • 對于漿體流動和水力輸送,使用混合模型或歐拉模型。
  • 對于沉降,使用歐拉模型。
  • 對于涉及多種流態的復雜多相流,選擇最感興趣的流態,并選擇最適合該流態的模型。注意,由于所使用的模型僅對模型的部分流動有效,因此結果的準確性將不如只涉及一個流動模式那么好。

正如本節所討論的,VOF模型適用于分層自由表面流動混合和歐拉模型適用于相混合分離分散相體積分數超過10%的流動。(離散相體積分數小于或等于10%的流動可以用離散相模型來建模。)

要在混合模型和歐拉模型之間進行選擇,你應考慮以下準則:

如果分散相分布較廣(如果顆粒大小不同,且最大的顆粒沒有從一次流場分離),混合模型可能更好(計算成本較低)。如果分散相只集中在域的一部分,那么應該使用歐拉模型

適用于系統的相間阻力定律是可用的(可以在ANSYS Fluent中使用,也可以通過用戶定義的函數使用),歐拉模型通常比混合模型提供更準確的結果。盡管你可以對混合模型應用相同的阻力定律,就像你可以對非顆粒歐拉模擬一樣,如果相間阻力定律未知或者它們對系統的適用性值得懷疑,混合模型可能是一個更好的選擇。大多數情況下,對于球形顆粒,Schiller-Naumann定律是足夠的。對于非球形粒子,可以使用用戶定義的函數。

如果你想求解一個更簡單的問題,需要較少的計算量混合模型可能是一個更好的選擇,因為它求解的方程比歐拉模型少。如果精度比計算量更重要歐拉模型是一個更好的選擇。然而,歐拉模型的復雜性使其計算穩定性低于混合模型。


end


【多相流】fluent中如何選擇多相流模型?(2)的圖2
后記:本人將畢生致力于CFD,為我國的仿真事業做一點點貢獻。希望在有生之年可以看到國產的CAE軟件大規模市場化,而不是被別人卡脖子。長風破浪會有時,直掛云帆濟滄海!

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