氣液二相流的案例
案例分享 | 利用MSC Cradle分散多相流的功能進行氣液二相流的仿真
本研究中，利用MSC Cradle，通過對分散多相流仿真功能進行氣液二相流仿真，對曝氣量進行考察和驗證，并進行散氣管形狀的優(yōu)化設計。
標準參數(shù)
構(gòu)造圖
大晃船舶污水處理裝置 SBH系列
仿真算例
圖1是在一定的流入條件下，從曝氣管出來的噴出空氣量分布的仿真結(jié)果。感覺上離空氣源近的地方空氣吹出的量會多一些，而一旦當空氣充滿后，出現(xiàn)了與想象相反的現(xiàn)象。如下圖2所示，散氣管內(nèi)的流速分布受到空氣噴出孔徑和配置的影響，改變了噴出后空氣擴展分布。因為仿真結(jié)果與實驗結(jié)構(gòu)基本吻合，在此基礎上利用仿真進行散氣管形狀的優(yōu)化設計。
圖1
圖2
小結(jié)
利用MSC Cradle可以不用進行實際的曝氣池實驗，而通過仿真來設計船用污水處理裝置內(nèi)的散氣管。根據(jù)仿真結(jié)果的指導設計并制作了設備，設計出的設備能夠均勻的曝氣，再一次證明了MSC Cradle可以作為開發(fā)設計階段的重要工具。
展開 計算流體力學--多相流仿真專題
這里要說的是氣提式水泵，它可以用來在水井和溫泉吸水，在凈化水池抽水等等。我們用屬于界面捕捉法的MARS法（Multi-interface Advection and Reconstruction Solver）對其自由表面流進行模擬。
氣提式水泵的設計已有200年以上的歷史。如圖2.3 所示，對安裝在水面下的抽水管的下部注入空氣，管內(nèi)的水與空氣混合，比重變小而被往上推起。這就是氣提式水泵抽水的原理。由于構(gòu)造簡單，少有故障，至今在各個領域得到廣泛的使用。其抽水量雖然可以根據(jù)空氣的流入量，浸水深度，揚程等用經(jīng)驗公式來計算，有時也要根據(jù)不同目的而考慮是否要進一步充氣。因此必須掌握抽水管內(nèi)氣液二相流的流型（請參照圖2.4）。如果可能的話，可以通過可視化實驗來觀察流型。但有時也會受各種條件的限制而無法做實驗。這時對流體進行仿真模擬來掌握流動型態(tài)就變得十分有效了。
圖2.3 氣提式水泵
圖2.4 管內(nèi)氣液二相流的流型
圖2.5 用來作仿真模擬的水泵
這次模擬的水泵，如圖2.5所示，是由抽水管（5厘米見方）和送氣管（2厘米見方）構(gòu)成。送氣管的前端，兩兩錯列地設置了四個空氣的流入口。水泵浸入水下1米深處，要把水汲取到比水面高出10厘米的容器里去。每個空氣流入口，每隔0.1秒注入流量為25L/min的空氣。呈現(xiàn)在圖2.6里的是模擬的結(jié)果。圖中以等值面來表示，使氣液界面可視化。混有空氣的水被抽取上來，成水花狀注入到容器里去，重現(xiàn)了水泵的工作狀態(tài)。圖2.7所示是抽水管中心斷面的氣液分布圖。藍色部分表示水，白色的為空氣。根據(jù)此圖，抽水管中的流動可以判斷為塞狀流（slag flow），您的看法呢？
圖2.6 等值面圖
圖2.7 氣液分布圖
來自：MSC軟件
展開 沸騰流仿真（伴隨有相變化的自由表面流仿真）
在氣液二相流仿真中，有時會遇到對沸騰流作模擬。近年來，由于所使用電腦的飛速發(fā)展，有關(guān)混相流課題的流體解析模擬問題差不多都得以解決。即便如此，仍有一些復雜的混相流現(xiàn)象難以進行模擬。其中之一就是沸騰流。沸騰流雖然在熱交換器，冷卻系統(tǒng)等許多工業(yè)領域中有廣泛的應用，但其流動方式會隨液體與傳熱表面的溫度差等因素而發(fā)生變化，是一種復雜的流動。如果從微觀尺度來著手處理沸騰流問題，就必須對傳熱表面氣泡核的生成，及其隨后的發(fā)展，脫離等過程一一建立模型，目前尚缺乏普遍適用的模擬方法。因此，只能從宏觀途徑來加以考慮。
圖21.1中展示的是，通過自由表面流仿真中的VOF法來模擬沸騰流，對蒸發(fā)和冷凝（液化）這樣的相變化過程，用F值（即流體體積率）的增減來加以表示，從而建立模型。同時，還考慮潛熱的吸收和釋放，以及因氣液態(tài)密度差引起的體積的增減。上述諸量的變化，在局部區(qū)域取得平衡。在此假定的前提下，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Lee于1980年提出了有關(guān)蒸發(fā)和冷凝的一系列基礎方程式，從而建立起一個完整的模型。圖21.2就是Lee建立的模型，各個流體單元內(nèi)的液體溫度若高于飽和溫度（即沸點）就蒸發(fā)，反之就液化。從這一假定出發(fā)，根據(jù)液體溫度與飽和溫度之間的差，同時考慮氣體與液體密度的不同，從而計算出相變化量的大小。
圖21.1 沸騰流的建模
圖21.2 Lee建立的模型
接下來，打算介紹這一章的模擬實例。作為第一個實例，首先來看一下圖21.3。在一個注了水的方形容器的底部加熱，我們來模擬從液相到氣相的相變化過程。圖中展示了VOF值為0.5的等值面。容器底部被加熱，產(chǎn)生了氣相（即氣泡），由于浮力的作用，氣泡徐徐上升，整個過程歷歷在目。
圖21.3 模擬實例之一：在容器底部加熱
另外，在氣相和液相之間的產(chǎn)生相變化時，物質(zhì)的密度也隨之發(fā)生變化。
展開 接fluent流固耦合，氣液，氣固兩相流，pbm氣泡碰撞，破
接fluent流固耦合，氣液，氣固兩相流，pbm氣泡碰撞，破碎，pbm顆粒碰撞長大，udf碰撞機理，動量源，質(zhì)量源，能量源，顆粒壁面吸附，初始化溫度場，流場相關(guān)udf等。
Ansys氣液設備典型應用
氣液兩相混合設備（如生物反應器）
設計中的難點
‐ 設備在放大和縮小過程中，了解性能的變化
‐ 了解氣體停留時間，氣含率的分布
‐ 防止氣體短路
‐ 傳質(zhì)速率預測
‐ 防止渦流形成
‐ 限制剪切速率
Ansys技術(shù)方案
‐ ANSYS CFD仿真可以進行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、氣液兩相的仿真，液相和氣相場可視化、可以進行氣泡停留時間預測、氣泡大小分布評估、傳質(zhì)率 (KLa 預測)、獲得剪切率
推薦Ansys模塊
‐ Ansys CFD Premium + HPC Pack
Gas distribution in a reactor
蒸發(fā)冷凝
設計中的難點
- 冷卻液溫度對冷凝效果的影響
- 冷卻液損失分析
‐ 蒸發(fā)預測
‐ 冷凝對管材的影響
Ansys技術(shù)方案
‐ ANSYS CFD內(nèi)部含有豐富的多相模型，冷凝和蒸發(fā)模型，SMB 沸騰模型，能夠幫助計算蒸汽、液體和冷凝水的體積分數(shù)，研究冷卻液損失對熱交換器性能的影響，管材和殼體上的熱負荷和結(jié)構(gòu)載荷
推薦Ansys模塊
‐ CFD Premium + HPC pack+ Mechanical Enterprise + ncode
Condensation profile on heat exchanger tubes
鼓泡塔
設計中的難點
- 鼓泡塔具有良好的傳熱性能、結(jié)構(gòu)簡單易于制造等特點，在石化石化領域有著廣泛的應用，但鼓泡塔內(nèi)涉及復雜的多相流動，致使反應器設計放大存在困難
- 在不同操作條件下存在明顯的流型轉(zhuǎn)變
展開 氣液緩沖器
如何計算節(jié)流孔
使用GOMC模擬異丁烷的氣液相平衡
運行模擬的總體流程如下：
1）創(chuàng)建腳本、PDB和拓撲文件以構(gòu)建模擬系統(tǒng)，以及in.dat文件和參數(shù)文件為運行時做準備；
2）構(gòu)建異丁烷的PDB文件，描述異丁烷殘基的拓撲文件；
3）進行GEMC模擬，得到穩(wěn)定液相盒子與氣相盒子，如圖2和圖3所示；
4）分析氣相密度與液相密度，改變模擬溫度并重復計算，得到一系列溫度下的氣液相平衡數(shù)據(jù)，并與NIST數(shù)據(jù)進行對比，如圖4所示。
圖2 液相盒子
圖3 氣相盒子
圖4：氣液相平衡
更換模擬物質(zhì)即可模擬目標物質(zhì)的氣液相平衡，例如目前化工中的乙酸等。此外，GOMC可用于研究汽-液和液-液平衡、多孔材料中的吸附、表面活性劑的自組裝以及復雜分子的凝聚相結(jié)構(gòu)。
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡。
展開 CFD歐拉（Eulerian）氣液兩相流作用演示
1、建模，選擇DM。
2、調(diào)整單位為毫米。
3、選擇繪圖，選擇矩形繪制。
4、繪制完成后，對矩形進行標注長度，以更改我們所需要的數(shù)據(jù)，選擇Dimensions，對長寬進行標注。（H=30mm，V=60mm）
5、選擇修改（Modify），對兩條線進行分割。
6、更改兩條短線的值（V1=V2=10mm）。
7、使草圖生成面。
8、選擇草圖的其中一條線，點擊APPLY，其他值按照圖例設置。
9、點擊generate生成面。
10、關(guān)閉DM，進行網(wǎng)格劃分。
11、右鍵點擊Mesh，選擇insert中的sizing。
12、由于模型是2維的，故要選擇定義線。
13、按住control對兩條邊進行選擇。
14、選擇完兩邊后，按照下圖進行更改。
15、重復右鍵點擊Mesh，選擇insert中的sizing。（直至所有邊選擇完）數(shù)據(jù)分別如下圖。
16、將定義的edge，由soft改為hard。
17、右鍵點擊Mesh，選擇insert中的face meshing。
18、單擊面，選擇apply
19、右鍵點擊Mesh，選擇生成網(wǎng)格。
20、點擊face meshing，按圖示選擇
展開 氣液分離器分離效率研究
針對最近做的一個氣液分離器分離效率研究的課程，總結(jié)了一下，由于原始模型數(shù)據(jù)某種原因不能展示，此處建立了一個簡單模型旨在說明類似問題的解決方法。
選用MIXTURE模型實現(xiàn)多相流的模擬，此處也可以選用歐拉模型，計算量較MIXTURE大得多，結(jié)果會精確一些。穩(wěn)態(tài)計算，轉(zhuǎn)動葉輪部分使用MRF實現(xiàn)，初始化一個液面高度，幾何模型如下所示：
入口處設置響應相的速度和體積百分數(shù)，上部出口主要流出氣體，側(cè)面出口主要流出液體，該分析旨在討論相應工況下（轉(zhuǎn)速，入口氣體體積百分數(shù)，出口位置，入口位置等）對氣體分離效率的影響，設置葉輪轉(zhuǎn)速。
劃分網(wǎng)格，分別劃分靜止區(qū)域網(wǎng)格和旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格，通過MERGE將兩組網(wǎng)格組合起來，設置INTERFACE實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。如下圖所示：
初始化一個液位高度，如下圖所示：
進行穩(wěn)態(tài)計算，監(jiān)測兩個出口和入口處氣體、液相的流入流出質(zhì)量流量和相應體積百分數(shù)，帶到穩(wěn)定后即可認為計算收斂，收斂后提取相應數(shù)據(jù)，通過分離效率公式即可以得出該設備在數(shù)值計算中的分離效率，通過數(shù)值分析可以很快低成本的優(yōu)化裝置設備，提高分離效率。
展開 CFD運用MIXTURE模擬氣液兩相流作用
CFD運用MIXTURE模擬氣液兩相流作用，mixture模型共用一套動量方程，求解混合相，可以相互融合，相與相之間存在速度差。
1、建模，打開DM。
2、調(diào)整單位為mm。
3、點擊繪圖，選擇矩形。
4、點擊測量，輸入圖中數(shù)據(jù)。
5、繪制出口入口。
6、測量并輸入以下數(shù)據(jù)。
7、點擊修改中的修剪。
8、點擊限制，使其等長。
9、使草圖生成面。
10、點擊草圖一條線，然后點擊apply。
11、點擊生成。
12、點擊mesh。
13、點擊mesh，再生成網(wǎng)格。
14、更改網(wǎng)格數(shù)。
15、定義邊界名稱。
16、關(guān)閉mesh，點擊setup。
17、按圖示輸入。
18、設置瞬態(tài)和重力加速度。
19、按圖示輸入。
20、定義材料，復制水。
21、將水設置為主相，空氣設為次相。
22、相互作用默認選擇。
展開 基于FLUENT的某噴管內(nèi)氣液流動
關(guān)鍵詞：FLUENT，噴管，VOF模型，計算流體力學，氣液流動
噴管是一種通過改變管段內(nèi)壁的幾何形狀以加速氣體的裝置，使用FLUENT對某類似噴管的裝置進行氣液流動數(shù)值模擬，可以直觀的看到裝置內(nèi)部氣液流動情況和相分布，進一步可以通過詳細的數(shù)值模擬可以對其進行不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下的流場分析，探索更優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)對其進行優(yōu)化。
利用FLUENT軟件對其進行數(shù)值模擬時，首先建立三維模型，為便于數(shù)值計算，對其結(jié)構(gòu)進行適當優(yōu)化。網(wǎng)格劃分時對其施加一定的控制（如曲率和偏度）以提高網(wǎng)格質(zhì)量，綜合得到網(wǎng)格質(zhì)量大于0.3，認為網(wǎng)格質(zhì)量滿足仿真需求。為了提高仿真精度，對模型的局部網(wǎng)格進行了加密處理。隨后設置了仿真參數(shù)，以空氣和水作為流體介質(zhì)，即確定了流體密度、粘度等參數(shù)。多相流模型使用Mixture模型，求解方式選用Coupled，選用二階迎風格式，松弛因子默認。采用SST k-omega湍流模型來描述流體的湍流特性。后續(xù)可以通過改變操作參數(shù)對其進行更為細致的數(shù)值模擬，以進一步探究其流場分布。幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。
圖1幾何模型
圖2網(wǎng)格劃分
噴管初始相分布如圖3所示，數(shù)值模擬過程中給定入口流速，噴管吸入氣體，初始壓力分布如圖4所示。
圖3初始相分布
圖4初始壓力分布
計算迭代2000步時，噴管內(nèi)云圖顯示相分布如圖5所示，流線顯示相分布跡線分布如圖6所示。
圖5云圖顯示相分布
圖6 流線顯示相分布
圖7跡線分布
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡。
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基于particleworks軟件的氣液兩相流分析功能介紹
齒輪箱是機械傳動中廣泛應用的重要部件，依靠箱體內(nèi)部復雜的齒輪配合，可實現(xiàn)傳動比和運動方向的改變。齒輪箱潤滑性能的好壞，直接影響到自身的綜合性能和使用壽命；飛濺潤滑通過齒輪旋轉(zhuǎn)甩油完成對特定位置的潤滑，是最常用的潤滑方式之一。
ParticleWorks是基于MPS（Moving Particle Semi-implicit）移動粒子半隱式法的CFD分析軟件，可以很好地模擬齒輪箱內(nèi)的飛濺潤滑過程。用戶不必對幾何結(jié)構(gòu)進行繁瑣的網(wǎng)格劃分，直接設置齒輪幾何為旋轉(zhuǎn)邊界，并用一群粒子替代齒輪箱內(nèi)部的流體。通過顯式方法計算粒子粘度、位置、速度等信息，隱式方法求解壓力方程并完成結(jié)果的顯式修正，完成預設時間步迭代計算，最終獲得流體的運動信息。
2022年8月23日-26日，安世亞太大咖慧推出特色仿真軟件專題線上培訓，專題講座包含：Flownex、Rocky、Particleworks、VDI2230軟件新功能介紹，不容錯過。
報名方式
FVM簡介
隨著現(xiàn)代齒輪傳動轉(zhuǎn)速越來越高，齒輪旋轉(zhuǎn)會帶動周圍的空氣劇烈運動，形成氣體壓力場，對箱體中油液的飛濺、噴射產(chǎn)生影響，并且風阻產(chǎn)生的功率損失將成為齒輪系統(tǒng)總功率損失的重要來源，所以在高速齒輪潤滑設計中，風力影響需引起足夠的關(guān)注。
Particleworks軟件，除了利用粒子表示不可壓縮流體之外，還可以使用FVM（Finite Volume Method）進行氣體模擬，完成液體——氣體之間的耦合分析。
邊界條件
當考慮氣體與液體的兩相流模擬時，氣體可以通過兩種邊界完成設置，1、空氣通過設置FVM入口進入分析域；2、在整個分析域內(nèi)考慮氣體：
FVM boundary
FVM入口的類型包括：矩形、圓形，還可以通過外部導入任意幾何設置；并且氣體流入分析域，可以以固定流速
展開 氣-液-固 三相體系 CFD 模擬方法簡介
由于氣 - 液 - 固三相漿態(tài)體系內(nèi)在機理的復雜性，與兩相流模擬相比，基于氣 - 液 -固三相 CFD 模擬相對不成熟。為了簡化處理，Grevskott 等將液相以及固相兩相看作一個擬均相（漿液相）處理，通過修正漿液粘度以及密度的方式考慮固體顆粒的影響，將氣 - 液- 固三相漿態(tài)模擬簡化成氣體-漿液相兩相模擬，基于雙流體框架下研究氣泡尺寸的分布、液體的循環(huán)以及固體顆粒的運動。Wen 和 Xu 等也將液-固看作擬均相進行二維穩(wěn)態(tài)模擬，采用 ksus-εsus-kb-εb 湍流模型計算氣-液-固漿態(tài)床內(nèi)的流動并且采用沉降擴散模型描述固體顆粒的軸向分布。Feng 等也將液相以及納米顆粒兩相看作擬均相處理，在 CFD 模擬中考慮的曳力、升力以及虛擬質(zhì)量力，重點考察時均徑向氣含率以及液速分布。
Mitra-Majumdar 等采用三歐拉方法進行三相漿態(tài)床的二維軸對稱模擬，并且對相間作用力進行修正，在研究氣 - 液相間作用力時考慮固體顆粒的影響，在研究液 - 固相間作用力時考慮氣體的影響，最終重點考察了表觀氣速、液速以及固體顆粒循環(huán)速度對氣含率以及固含率分布曲線的影響。Padial 等采用三歐拉方法進行了三相漿態(tài)內(nèi)環(huán)流反應器三維模擬，重點考察導流位置對氣含率以及循環(huán)液速的影響，通過模擬發(fā)現(xiàn)提高導流筒位置會導致環(huán)流液速降低。需要指出，在其模擬中氣 - 固之間與氣 - 液之間采用相同的曳力模型，該方法不適用于高固含率的情況。Mationis 等采用 Gidaspow 等提出的 Kinetic-Theory-Based 模型描述氣 - 固之間的相間作用，并采用 k-ε 湍流模型描述液相湍流，重點考察固體顆粒的時均速度、濃度分布以及雷諾應力的變化，并與實驗結(jié)果進行對比。
展開 基于GROMACS的氯化鈉氣液界面分子動力學模擬
關(guān)鍵詞：GROMACS；NaCl；氣液界面; 分子動力學；packmol
海水淡化、海氣相互作用及儲能電解質(zhì)等領域，需要研究鹽溶液在氣?液界面處的微觀結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為。相比宏觀實驗，分子動力學（MD）模擬可直接揭示 Na+、Cl- 以及水分子在界面處的分布與取向，為理解表面張力、離子特異性（Hofmeister 效應）等提供原子級證據(jù)。而GROMACS作為一種高效的開源MD模擬軟件，在模擬鹽水溶液氣液界面方面具有強大的技術(shù)支持。本案例基于GROMACS，研究氯化鈉氣液界面體系中離子和水分子的分布情況。
初始模型的構(gòu)建
在本案例中，我們模擬對象為氯化鈉水溶液-真空體系，水分子采用spce水模型。
展開 考慮塑性破壞的高瓦斯煤層水力沖孔氣液固耦合模型
水力沖洗技術(shù)起源于20世紀80年代，主要用于提高美國圣胡安盆地煤層氣的采收率。利用高壓水沖洗煤壁，將破碎的煤塊帶出，在煤層中形成一定的空腔，將應力傳遞到鉆孔周圍，達到卸壓的效果。鉆孔周圍的擾動使鉆孔周圍產(chǎn)生大量新的裂隙，改變了煤體的孔隙度，從而提高了煤層的滲透性。建立了考慮煤體塑性破壞的水力沖煤多場耦合模型，利用COMSOL Multiphysics軟件研究水力沖孔過程的機理和變量的演化規(guī)律。煤層水力沖孔涉及到巖體塑性變形、瓦斯吸附等多物理量的相互作用。為實現(xiàn)水力沖孔強化采氣復雜的應力-損傷-滲流耦合過程，提出了以下假設：
(1)發(fā)生塑性變形以及產(chǎn)生新的裂隙，而彈性變形僅改變裂隙的孔徑。(2)水力沖孔引起的煤體塑性變形是一個產(chǎn)生新的裂隙和破壞原有煤體基質(zhì)的過程。塑性破壞后的煤體被視為具有較小基質(zhì)和較多裂隙的彈性介質(zhì)，如圖1（a）所示。(3)煤體是具有孔隙的雙重連續(xù)介質(zhì)。自由氣體被認為是理想狀態(tài)氣體。(4)吸附氣和游離氣主要存在于孔隙和裂隙中，而水僅存在于裂隙中并在裂隙中運移，氣體和水的輸運過程如圖1（b）所示。(5)氣體的擴散過程服從菲克擴散定律，氣體和水的滲流過程服從達西定律。(6)拉應力為正，壓應力為負。
圖1 氣體運移過程
基質(zhì)中瓦斯擴散方程：
瓦斯、水滲流控制方程：
煤體變形控制方程：
破壞判斷準則（D-P準則）：
裂隙率控制方程：
幾何模型與邊界條件：
圖2 幾何模型及邊界條件
部分圖片展示
圖3 鉆孔周圍滲透率分布
圖4 鉆孔周圍瓦斯壓力分布
圖5 鉆孔周圍瓦斯飽和度分布
圖6 鉆孔周圍瓦斯壓力分布
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