[本例來(lái)自于Fluent 13.0官方教程]

FLUENT的附加模型population balance model可以用于計(jì)算氣泡流的破碎及匯聚。本例使用歐拉多相流配合PBM模型模擬氣泡在流動(dòng)過(guò)程中的破碎及凝聚現(xiàn)象。

1、模型描述

計(jì)算域幾何如圖1所示。采用如圖所示的圓柱形容器。氣泡從底部inlet入口進(jìn)入，從outlet出口流出。幾何尺寸如圖所示。由于本例的軸對(duì)稱特征，因此采用軸對(duì)稱模型。注意：FLUENT的2D軸對(duì)稱模型要求對(duì)稱軸為x軸。計(jì)算域模型如圖2所示。Axis沿著x軸方向，后邊的重力加速度即沿著x軸負(fù)方向。劃分網(wǎng)格，生成msh文件。

圖1 幾何模型

圖2 計(jì)算域模型

2、導(dǎo)入網(wǎng)格

打開(kāi)Fluent 14.0，讀入上一步生成的msh文件。Scale計(jì)算域，檢查是否在正確的尺寸上。選擇[Transient]模擬，設(shè)置重力方向x軸負(fù)方向，并且設(shè)置2D Space為Axisymmetric。如圖3所示。

圖3 基本設(shè)置

3、選擇模型

激活PBM模型需要通過(guò)TUI命令。在TUI窗口中輸入define/models/addon-module，然后輸入yes回車即可激活PBM模型。

多相流模型選擇Eulerian模型，歐拉相數(shù)量為2。如圖4所示。

圖4 多相流模型

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流多相流模型采用mixture，如圖5所示。

圖5 湍流模型

雙擊models中的population balance模型，選擇discrete，進(jìn)入圖6所示對(duì)話框，進(jìn)行如圖所示設(shè)置。

圖6 PBM設(shè)置

具體含義可以參考fluent PBM手冊(cè)，這里簡(jiǎn)要的說(shuō)明一下。

Kv為增長(zhǎng)因子，geometric ratio為幾何對(duì)數(shù)方法，與后面的ratio exponent相對(duì)應(yīng)。

Bins為直徑的數(shù)量，這里共有6組直徑氣泡，最小直徑0.001191，最大直徑是根據(jù)kv及ratio計(jì)算出來(lái)的。

勾選aggregation kernel及breakage kernel，選擇aggregation kernel方法為luo-model，這時(shí)會(huì)彈出表面張力系數(shù)設(shè)置，輸入0.07。

Frequency選擇luo-model方法，同樣設(shè)置表面張力系數(shù)0.07

OK，模型設(shè)置到此結(jié)束。

4、材料及相設(shè)置

添加材料water-liquid，材料屬性保持默認(rèn)。

設(shè)置water-liquid為主相，air為第二相。第二相的diameter方法為sauter-mean。若設(shè)置相在設(shè)置PBM之前，則PBM會(huì)自動(dòng)修改此項(xiàng)。

相間作用可以不用設(shè)置。

5、設(shè)置計(jì)算域

設(shè)置operating conditions，設(shè)置參考密度為空氣密度1.225，如圖7所示。

圖7 operating conditions設(shè)置

6、邊界條件設(shè)置

確保axis邊界類型為axis。

所有的wall邊界保持默認(rèn)，即no slip壁面邊界。

（1）Velocity inlet邊界：

設(shè)置mixture相：如圖8所示，設(shè)置湍流參數(shù)。

圖8 入口mixture相設(shè)置

設(shè)置air相：

設(shè)置momentum標(biāo)簽頁(yè)下的速度為0.02m/s。進(jìn)入multiphase標(biāo)簽頁(yè)，進(jìn)行如圖9所示設(shè)置。

圖9 入口設(shè)置

設(shè)置volume fraction為1，表示進(jìn)入的全部為air。

設(shè)置bin-3-fraction為1，其他全部為0。表示進(jìn)入的氣泡粒徑為bin-3。

（2）設(shè)置pressure outlet邊界

Mixture相：如圖10進(jìn)行設(shè)置。

圖10 出口邊界

Air相：

與入口air相類似，只需要設(shè)置multiphase標(biāo)簽頁(yè)，如圖11所示。設(shè)置backflow volume fraction為1，設(shè)置bin-3-fraction為1，表示出口全為bin-3粒徑的air。

圖11 出口設(shè)置

7、求解控制

Solution methods及solution controls并沒(méi)有特殊要求，可以采用默認(rèn)設(shè)置。

可以利用坐標(biāo)創(chuàng)建點(diǎn)，利用Monitor檢測(cè)指定粒徑的氣泡含量，如圖12所示。

圖12 監(jiān)測(cè)

本例檢測(cè)點(diǎn)（1.5,0）位置的bin0,bin3,bin5體積分?jǐn)?shù)。

用戶可以自己定義監(jiān)測(cè)位置及檢測(cè)變量。

8、初始化

設(shè)置湍動(dòng)能0.1，湍流耗散率0.25，air bin-3-fraction為1，點(diǎn)擊initialize進(jìn)行初始化。

同時(shí)還需要patch區(qū)域。

進(jìn)入菜單【adapt】>【Region…】，如圖13所示對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置。所標(biāo)記的區(qū)域位于(1.8,0)與（2,0.145,）之間。即高度1.8m以上區(qū)域。我們patch該區(qū)域全為粒徑bin3的氣體。

圖13 區(qū)域標(biāo)記

點(diǎn)擊patch按鈕，進(jìn)入如圖14所示對(duì)話框。

圖14 patch區(qū)域氣泡粒徑

圖15 patch區(qū)域體積分?jǐn)?shù)為氣體

9、求解計(jì)算

設(shè)置time step size為0.01s，設(shè)置number of time steps為5000，同時(shí)設(shè)置max iterations/Time step為100，如圖16所示。

圖16 求解計(jì)算

10、計(jì)算后處理

可以觀察氣泡粒徑分布云圖等，如圖17所示為氣泡粒徑分布。

圖17 粒徑分布云圖

也可以查看整個(gè)計(jì)算域空間不同粒徑氣泡數(shù)量直方圖分布。

圖18 直方圖設(shè)置

圖19 直方圖顯示