1. 概念

液體噴霧蒸發(fā)現(xiàn)象是生活中常見到的一種現(xiàn)象，廣泛應用于化工行業(yè)，對Fluent進行設置可模擬這類現(xiàn)象。

2. 模型描述

本案例模擬甲醇在鼓風霧化器中的霧化，甲醇在被引入鼓風霧化器之前被冷卻到-10℃。霧化器中有一股環(huán)形旋轉的氣流。同時為了簡化模型，本模型使用了旋轉周期性網(wǎng)格，只畫了1/12即30°的模型。

3. 基本設置

3.1 導入網(wǎng)格：

使用Fluent軟件打開Chapter34.msh.gz網(wǎng)格文件，文件在本文末尾鏈接資源內。

3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸保持默認即可，關于scale mesh詳細設置查看Chapter31 Fluent空化模型

3.3 求解器設置

基于壓力求解器，穩(wěn)態(tài)設置

4. 設置計算模型

4.1 能量方程

打開能量方程

4.2 湍流模型設置

4.3 組分輸運模型

打開組分輸運模型，將mixture material更改為methyl-alcohol-air（甲醇空氣混合物）

注：默認情況下這里的材料為mixture-template，想要出現(xiàn)methyl-alcohol-air需要在material面板下進行設置。設置好后此處才可選擇methyl-alcohol-air

5. 材料設置

5.1 添加methyl-alcohol-air材料

Materials-Mixture

在Materials下，單擊Mixture...，彈出如下面板，

單擊Fluent Database，找到methyl-alcohol-air，點擊copy

5.2 修改methyl-alcohol-air組分

單擊copy后，回到methyl-alcohol-air屬性設置界面。單擊Mixture Species后的Edit

在Selected Species欄下將h2o和co2移出，表示methyl-alcohol-air混合物組分只有ch3oh、o2、n2

7. 邊界條件設置

6.1 周期性邊界條件

分別單擊Periodic的periodic-a和periodic-b，將Periodic Type欄改為Rotational，這里主要是將兩個周期性邊界改為旋轉周期性，默認為平移性周期。

6.2 inlet邊界設置

選擇central_air，將邊界類型改為質量流量入口mass flow inlet，雙擊central_air邊界，彈出如下界面

Mass flow Rate：輸入9.167e-5

Direction Specification Method：選擇Direction Vector。X和Y方向輸入為0，Z方向輸入1，表示流動方向為Z方向

Specification Method：選擇 Intensity and Hydraulic Diameter

Turbulent Intensity：輸入10 .

Hydraulic Diameter：輸入0.0037m

注：湍流邊界具體設置可查看文章Chapter33

三十三、Fluent邊界條件湍流參數(shù)設置詳解

單擊Thermal 欄，在Total Temperature輸入溫度293K

單擊Species 欄，在Species Mass Fractions o2欄輸入組分質量分數(shù)為0.23

注：通過5材料設置可知，methyl-alcohol-air混合物組分只有ch3oh、o2、n2三種，其中o2組分質量分數(shù)設置為0.23，ch3oh質量分數(shù)設置為0，則n2質量分數(shù)為1-0.23。

選擇co-flow-air，將邊界類型改為速度入口Velocity inlet，雙擊co-flow-air邊界，彈出如下界面

Velocity Magnitude速度大小設置為1m/s 

Specification Method：選擇 Intensity and Hydraulic Diameter

Turbulent Intensity：輸入5

Hydraulic Diameter：輸入0.0726m

單擊Thermal 欄，在Total Temperature輸入溫度293K

單擊Species 欄，在Species Mass Fractions o2欄輸入組分質量分數(shù)為0.23

選擇swirling_air，將邊界類型改為速度入口Velocity inlet，雙擊swirling_air邊界，彈出如下界面

Velocity Specification Method：速度設置方法設置為Magnitude and Direction，表示通過設置速度大小和方向設置速度

Velocity Magnitude速度大小設置為19m/s 

Coordinate System坐標系：選擇Cylindrical (Radial, Tangential, Axial) 柱坐標。

Radial-Component of Flow Direction設置為0，徑向速度分量設置為0；

Tangential-Component of Flow Direction設置為0.7071，切向速度分量設置為0.7071；

Axial-Component of Flow Direction設置為0.7071，軸向速度分量設置為0.7071；

Specification Method：選擇 Intensity and Hydraulic Diameter

Turbulent Intensity：輸入5

Hydraulic Diameter：輸入0.0043m

單擊Thermal 欄，在Total Temperature輸入溫度293K

單擊Species 欄，在Species Mass Fractions o2欄輸入組分質量分數(shù)為0.23

6.3 wall邊界設置

選擇outer-wall，將邊界類型改為速度入口wall，雙擊outer-wall邊界，彈出如下界面

在Shear Condition 勾選Specified Shear，其余參數(shù)保持默認值。

7. 求解方法（不含液滴）

7.1 求解方法

Solution-Solution Methods

7.2 求解控制

Solution-Solution Controls

保持默認即可

8.3 殘差設置

殘差設置保持默認即可

8. 初始化

選擇Hybrid Initialization

注：對于復雜模型的流場，混合初始化比標準初始化更好，能夠提供更好的速度場和壓力場，有助于提高收斂性。

10. 計算設置

Time Step Method 設置為User-Specified 用戶自定義，偽時間步長Pseudo Time Step Size設置為1s，迭代次數(shù)設置為150步

10. 后處理

10.1 新建剪切面

Results → Surface → Create → Iso-Surface...

New Surface Name：輸入新建面的名稱為angle=15 .

Surface of Constant欄：選擇 Mesh...and Angular Coordinate

點擊Compute計算最大最小的角度值.

 Iso-Values：輸入15

10.2 速度云圖

想要出現(xiàn)入口方向箭頭，需要勾選Draw mesh

速度云圖

10.3 旋轉環(huán)形空氣流跡線

周期性顯示設置

View-views-Periodic Repeats-Define

單擊Define，顯示下圖，

從Associated Surfaces 選擇 atomizer-wall

Periodic Type 選擇 Rotational 

Number of Repeats設置為12

注：這部分的設置主要是顯示周期性網(wǎng)格，從Associated Surfaces中選擇某些面表示對這些面進行周期性顯示，Periodic Type 選擇 Rotational 表示旋轉周期，Number of Repeats設置為12表示顯示12個周期，由于模型只有30°，因此12個周期為一個完整的圓。

pathlines顯示

Results → Graphics → Pathlines → New...

Draw mesh主要是為了顯示部分物理模型，Path Skip設置為5，用于簡化跡線數(shù)量。Release from Surfaces 選擇swirling_air，表示顯示swirling_air部分的跡線

11.創(chuàng)建Spray Injection

Physics → Models → Discrete Phase...

回到Models界面，雙擊 Discrete Phase，彈出如下界面

勾選Interaction with Continuous Phase，考慮離散相軌跡對連續(xù)相的影響

DPM Iteration Interval：輸入10

在Contour Plots for DPM Variables欄勾選Mean Values，后處理界面使用平均值顯示

勾選Unsteady Particle Tracking

Particle Time Step Size：輸入0.0001

Number of Time Steps：輸入10

在Physical Models欄,勾選 Temperature Dependent Latent Heat 和Breakup

注：勾選Temperature Dependent Latent Heat ，表示考慮液滴溫度對潛熱的影響；勾選Breakup表示考慮液滴的破碎

在Numerics欄, 勾選Linearize Source Terms (Source Terms group)，使源項線性化，可加快收斂

單擊上面界面的Injections...

單擊Create，開始創(chuàng)建液滴噴射入口injection

在Set Injection Properties 界面：

Injection Type：選擇 air-blast-atomizer鼓風霧化器

Number of Streams：輸入600，表示每個時間步有600個液滴顆粒噴射進計算域

Particle Type ：勾選Droplet

Material drop-down list：勾選methyl-alcohol-liquid

在Point Properties欄：

保持 X-Position和Y-Position為默認值0

Z-Position：輸入0.0015

X-Axis, Y-Axis和Z-Axis：分別設置為0，0，1

Temperature：輸入263 K

 Flow Rate：輸入8.5e-5 kg/s

Start Time：0 s

Stop Time：100 s

Injector Inner Diameter：0.0035m

Injector Outer Diameter：0.0045m

Spray Half Angle：45 degrees，噴射角是液層軌跡與噴射器中心線之間的夾角。

Relative Velocity：82.6 m/s，相對速度是霧化空氣和液層之間的預期相對速度。

 Azimuthal Start Angle ：保持默認0

 Azimuthal Stop Angle：設置30，由于模型只構建了30°，因此噴射角度只有30°

在Physical Models欄下：

勾選Enable Breakup

Breakup Model：選擇TAB

y0和Breakup Parcels：保持默認值；分別為0和2

Drag Law：選擇dynamic-drag

在Turbulent Dispersion欄

勾選Discrete Random Walk Model和Random Eddy Lifetime，這些模型將考慮液滴的湍流擴散

12. 設置液滴材料屬性

Setup →  Materials →  methyl-alcohol-liquid → Create/Edit...

回到材料設置界面，雙擊methyl-alcohol-liquid 

彈出如下界面

Material Type：選擇droplet-particle

Viscosity：0.00095 kg/m-s 

Saturation Vapor Pressure：選擇piecewise-linear

Vaporization/Boiling Model：選擇convection/diffusion-controlled

點擊Change Create，并關閉此窗口

13. 求解方法（含液滴）

求解控制，將離散相的松弛因子設置為0.9

14. 殘差設置

勾選Show Advanced Options，Convergence Criterion 選擇none，每個時間步不檢查收斂性

15. 計算設置

與9. 計算設置相同，計算300步

16. 后處理設置（帶液滴）

16.1 查看液體粒子軌跡

Results → Graphics → Particle Tracks → New...

Particle Tracks Name：particle-tracks-droplets

勾選 Draw Mesh，彈出mesh窗口，保持默認即可

Particle Variables...勾選Particle Diameter

Release from Injections：勾選 injection-0 

單擊Save/Display，則顯示下圖

注：想要不顯示完整的霧化器模型，需要在View-Views-Periodic RepeatsJ進行設置

16.2 查看索特平均直徑

Results → Graphics → Contours → New...

Contour Name：輸入contour-dpm-sauter-diameter

Contours of：分別選擇 Discrete Phase Variables... 和 DPM D32

Surfaces：選擇angle=15

16.3 查看DPM平均速度

Results → Graphics → Vectors → New...

Vector Name：輸入vector-dpm-vel

Vectors of：選擇dpm-mean-velocity

Color by：分別選擇 Discrete Phase Variables... 和DPM Velocity Magnitude

Style：選擇arrow

Scale：輸入7

Surfaces：選擇angle=15

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