離散相模型的案例
使用 Ansys Fluent 離散相模型 (dpm) 進行旋風(fēng)分離器仿真 ￥5
關(guān)于使用 ANSYS Fluent 離散相模型 (DPM) 項目進行旋風(fēng)分離器仿真
使用 ANSYS Fluent 對旋風(fēng)分離器進行穩(wěn)態(tài) CFD 仿真。使用 DPM 跟蹤粒子。考慮無阻力的單向耦合。這意味著流體相將通過阻力和湍流影響顆粒相，而顆粒相對氣相沒有影響。附Fluent案例文件
*.cas
【多相流】fluent中如何選擇多相流模型？（3）
當(dāng) ，粒子將緊密跟隨流動，三種模型(離散相、混合相或歐拉)均適用;因此，可以選擇最經(jīng)濟的(大多數(shù)情況下是混合模型)，或者考慮到其他因素，選擇最合適的。
當(dāng) 中，粒子將獨立于流動而移動，適用于離散相模型或歐拉模型。
當(dāng) ，三種模型中的都適用;可以選擇計算量最小的或考慮其他因素選擇最合適的模型。
例如，對于一種特征長度為1 m、特征速度為10 m/s的煤炭分級機，直徑為30微米的顆粒斯托克斯數(shù)為0.04，直徑為300微米的顆粒為4.0。顯然，混合模型不適用于后一種情況；對礦物加工而言，在特征長度為0.2 m、特征速度為2 m/s的系統(tǒng)中，直徑為300微米的顆粒的Stokes數(shù)為0.005，在這種情況下，你可以選擇混合模型和歐拉模型。
離散相模型的使用僅限于低體積分?jǐn)?shù)，除非使用密集的離散相模型公式。此外，對于離散相模型模擬，可以選擇比歐拉模型更先進的燃燒模型。若要考慮粒子分布，需要使用種群平衡模型或離散相模型和密集離散相模型。
關(guān)注公眾號：“CFD流”獲得更好的閱讀體驗以及學(xué)習(xí)資料
展開 雙向流固耦合模型三：帶離散相的雙向流固耦合模型
通過雙向流固耦合可分析在顆粒作用下的流暢分布及固體受力狀態(tài)，若感興趣可加qq：1196497187
DPM|02粒子追蹤設(shè)置
激活DPM
DPM模型激活有以下兩種方法
Interaction設(shè)置
當(dāng)離散相跟連續(xù)相發(fā)生相互作用時，激活 Interaction with Continuous Phase option選項
在DPM Iteration Interval option中，指定粒子追蹤頻率及離散相模型源的更新頻率
Tracking Parameters設(shè)置
Max. Number of Steps：用于當(dāng)粒子始終未離開流域時終止軌跡計算
Length Scale or Step Length Factor：用于設(shè)置每個控制體積內(nèi)積分的時間步長。當(dāng)Length Scale被定義時：，當(dāng)step length factor被定義時，（表示粒子穿越當(dāng)前網(wǎng)格所需估計時間
兩者的不同之處在于，step length factor允許Fluent根據(jù)粒子穿越網(wǎng)格所需的時間步數(shù)來計算時間步長
顆粒追蹤選項
穩(wěn)態(tài)粒子追蹤與穩(wěn)態(tài)流動
非定常粒子追蹤與穩(wěn)態(tài)流動
非定常流動中的非定常粒子追蹤，包括相同顆粒與連續(xù)相時間步長，不同顆粒與連續(xù)相時間步長
穩(wěn)態(tài)粒子追蹤與穩(wěn)態(tài)流動
粒子從注入點開始被追蹤，直至達到最終狀態(tài)或逃離
確保"Interaction with Continuous Phase"選項已啟用
指定DPM Iteration Interval以計算每個'N'連續(xù)相迭代時的粒子間相互作用，默認(rèn)迭代步數(shù)10
在Tracking Parameters下定義Max.
展開 
基于Fluent的DPM對文丘里管除塵仿真計算
案例旨在通過CFD數(shù)值模擬方法，深入研究文丘里洗滌器內(nèi)部的復(fù)雜氣液固多相流動和傳質(zhì)過程，精確預(yù)測其除塵效率，為優(yōu)化設(shè)計和安全分析提供理論依據(jù)。
基于ANSYS Fluent軟件，采用計算流體動力學(xué)（CFD）方法對文丘里洗滌器的除塵過程進行了數(shù)值模擬研究。模擬采用了歐拉-拉格朗日框架，將氣相（空氣）處理為連續(xù)介質(zhì)，并利用離散相模型（DPM）追蹤粉塵顆粒（TiO?）的運動。
關(guān)鍵詞：文丘里洗滌器；CFD；離散相模型（DPM）；除塵效率；多相流
2. 計算模型與設(shè)置
2.1 幾何模型與網(wǎng)格
計算模型幾何結(jié)構(gòu)包含收縮段、喉部和擴散段。計算網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，在fluent meshing中生成，并對喉部高速剪切區(qū)及近壁區(qū)域進行了局部加密，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉核心流動特征和顆粒軌跡。最終網(wǎng)格總量約為525萬單元，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.6，滿足計算精度要求。
圖1 計算模型及網(wǎng)格劃分
2.2 多相流模型
模擬采用歐拉-拉格朗日方法：
? 氣相（連續(xù)相）：采用RNG k-ε湍流模型進行模擬，該模型對于處理文丘里管內(nèi)的高速、強剪切流動具有較高的精度。
? 離散相：包括洗滌液滴和粉塵顆粒，均通過離散相模型（DPM） 進行追蹤。
粉塵：疏水性二氧化鈦（TiO?）顆粒，密度為4230 kg/m3，粒徑為1 μm，被視為惰性顆粒。
2.3 關(guān)鍵模型與邊界條件
? 顆粒捕集機制：粉塵顆粒的捕集主要基于慣性碰撞機理。單個液滴的碰撞效率η由經(jīng)驗公式計算：
? 邊界條件：
氣相入口：采用質(zhì)量流量入口。
液相入口：采用質(zhì)量流量入口。
離散相邊界：所有壁面設(shè)置為trap（捕獲），出口設(shè)置為escape（逃逸）。
展開 兩相流及幾種模型介紹~
幾種多相流模型的選擇
? VOF模型適合于分層流動或自由表面流
? Mixture和Eulerian模型適合于流動中有混合或分離，或者離散相的體積份額超過10%－12％的情況
Mixture模型和Eulerian模型區(qū)別
? 如果離散相在計算域分布較廣，采用 Mixture模型；如果離散相只集中在一部分，使用Eulerian模型
? 當(dāng)考慮計算域內(nèi)的interphase drag laws 時，Eulerian模型通常比Mixture模型能給出更精確的結(jié)果
? 從計算時間和計算精度上考慮
展開 4月23-26日 北京 | Fluent燃燒及化學(xué)反應(yīng)流計算理論與工程應(yīng)用專題
離散相模型基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用
Fluent軟件中離散相模型的啟用及參數(shù)設(shè)置
噴霧模型及霧化噴嘴參數(shù)設(shè)置
實例10：內(nèi)燃機液滴燃燒模擬
實例11：煤粉顆粒燃燒
Fluent污染物模型
掌握Fluent燃燒模擬中的污染物模型使用方法
NOx模擬
SOx模擬
Soot模擬
實例12：氣體燃燒爐內(nèi)污染物形成模擬計算
1.
【詳細(xì)FLUENT實例講座】90°彎管沖蝕計算
圖1-3 General面板參數(shù)設(shè)置
Step 3：Models設(shè)置
1、點擊操作樹節(jié)點Models進入模型操作面板。
2、設(shè)置viscous為標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型。
鼠標(biāo)雙擊模型列表中的viscous-laminar列表項，在彈出的設(shè)置對話框中進行如圖1-4所示的參數(shù)設(shè)置。點擊OK按鈕確認(rèn)參數(shù)設(shè)置并關(guān)閉對話框。
圖1-4
設(shè)置湍流模型
3、設(shè)置離散相模型
鼠標(biāo)雙擊Models列表框中Discrete Phase列表項，進入離散相設(shè)置面板。
（1）勾選選項Interaction with Continuous Phase
（2）設(shè)置Number of Continuous Phase Interations per DPM Iteration為5
（3）設(shè)置Tracking標(biāo)簽頁下參數(shù)max. Number ofSteps為10000，設(shè)置Step LengthFactor參數(shù)為5
（4）切換至Physical Models標(biāo)簽頁，勾選激活選項Erosion/Accretion，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。
圖1-5離散相設(shè)置
4、設(shè)置粒子入射
鼠標(biāo)點擊圖1-5面板中的按鈕Injections…，進入粒子入射設(shè)置面板。
（1）點擊Create按鈕創(chuàng)建新的粒子入射。彈出如圖1-6所示的入射定義面板。
（2）設(shè)置Injection Type為surface，并在Release From Surfaces列表框中選擇inlet為粒子入射位置。
（3）選擇Particle Type為Inert。
（4）設(shè)置Point Properties標(biāo)簽頁，設(shè)置Z-Velocity為10，設(shè)置Diameter為0.0002，設(shè)置Total Flow Rate為1。
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⑥并行跟蹤粒子時，如果啟用了共享內(nèi)存選項（《用戶指南》中的“離散相模型”的并行處理），則DPM模型不能與歐拉多相模型一起使用。（請注意，在并行運行時，使用消息傳遞選項可以使所有多相流模型與DPM模型兼容。）
要從單相模型更改為多相模型，您將需要執(zhí)行一系列步驟。您將必須先設(shè)置混合溶液，然后再設(shè)置多相溶液。但是，由于多相問題是緊密聯(lián)系在一起的，因此最好開始使用初始的一組保守的參數(shù)（時間和空間的一階）直接解決多相問題。這當(dāng)然取決于問題。除其他事項外，修改包括引入多個相的體積分?jǐn)?shù)α1，α2……，以及在相之間交換動量，熱和質(zhì)量的機制。
5.3 體積分?jǐn)?shù)方程
多相流互穿連續(xù)體的描述結(jié)合了相體積分?jǐn)?shù)的概念，此處用表示。體積分?jǐn)?shù)代表每個相所占據(jù)的空間，并且每個相分別滿足質(zhì)量守恒定律。守恒方程的推導(dǎo)可以通過對每個相位的局部瞬時平衡進行平均[6]或使用混合理論方法[42]來完成。
相的體積定義為Vq
相的有效密度為：
可以通過隱式或顯式時間離散化求解體積分?jǐn)?shù)方程。有關(guān)這兩種VOF方案的詳細(xì)信息，請參閱“隱式公式”和“顯式公式”。
5.4 守恒方程（質(zhì)量、動量、能量后面敘述）
5.5 界面濃度Interfacial Area Concentration
界面面積濃度定義為每單位混合物體積兩相之間的界面面積。這是預(yù)測通過相之間界面的質(zhì)量，動量和能量轉(zhuǎn)移的重要參數(shù)。當(dāng)將Eulerian多相模型與非顆粒第二相一起使用時，可以讓ANSYS Fluent通過以下兩種方法之一來計算界面面積：
①使用界面區(qū)域濃度中所述的輸運方程式。這允許氣泡直徑的分布和聚結(jié)/破裂效應(yīng)。
②在指定的氣泡直徑和界面區(qū)域濃度之間使用代數(shù)關(guān)系。
展開 離散斷裂網(wǎng)絡(luò)DFN三維模型與二維模型的傾角(Dip)近似等效方法
1 引言
相同的數(shù)據(jù)在二維模型中生成的DFN與在三維模型中生成的DFN結(jié)果是完全不一樣的。原因是
在二維空間內(nèi)，傾角fdip(fracture.dip)的范圍是在0到180°，而在三維空間內(nèi)fdip的角度是在0到90°；且在二維空間內(nèi)沒法表示傾向。3DEC提供了一個命令block to-udec，可以使用原點、法線或傾角和傾角方向指定一個平面，然后把這個平面導(dǎo)出到UDEC。顯然這種操作方法得出的DFN結(jié)果不是UDEC自身生成的DFN。
block to-udec origin 0,25,0 dip 90 dip-direction 0
下圖所示的是相同數(shù)據(jù)生成的300條斷裂2D 和3D DFN模型。這個筆記簡要討論了二維模型和三維模型傾角近似等效的方法，也許這種方法并不具有實際意義。
2 等效方法
對于一個生成的3D DFN模型，我們可以求出這個模型中所有斷裂的平均傾角，這可以通過編寫一個簡單的FISH程序來實現(xiàn)，對fracture.list進行遍歷，把每條斷裂的傾角相加，再除以斷裂總數(shù)，就可以得到整個模型斷裂的平均傾角，例如得出的平均傾角為54°。
相同的模型在2D中運行，為了與3D模型得出的傾角相同，第一個過濾準(zhǔn)則是只保留那些傾角小于90°(fracture.dip(frac)<90)的斷裂，第二個過濾準(zhǔn)則是保留那些傾角在54°左右的斷裂，一個更精確的方法是在3D中求出傾角的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后在2D中使用這個值。這樣就可以在2D中作出一個僅傾角近似3D的DFN模型。
3 斷裂數(shù)目
在生成2D DFN的過程中，為了與3D生成的斷裂數(shù)目相同，需要用到斷裂數(shù)目的判斷方法。有三個不同層次的判斷斷裂數(shù)目的函數(shù)。
展開 離散斷裂網(wǎng)絡(luò)DFN三維模型與二維模型的傾角(Dip)近似等效方法
1 引言
相同的數(shù)據(jù)在二維模型中生成的DFN與在三維模型中生成的DFN結(jié)果是完全不一樣的。原因是
在二維空間內(nèi)，傾角fdip(fracture.dip)的范圍是在0到180°，而在三維空間內(nèi)fdip的角度是在0到90°；且在二維空間內(nèi)沒法表示傾向。3DEC提供了一個命令block to-udec，可以使用原點、法線或傾角和傾角方向指定一個平面，然后把這個平面導(dǎo)出到UDEC。顯然這種操作方法得出的DFN結(jié)果不是UDEC自身生成的DFN。
block to-udec origin 0,25,0 dip 90 dip-direction 0
下圖所示的是相同數(shù)據(jù)生成的300條斷裂2D 和3D DFN模型。這個筆記簡要討論了二維模型和三維模型傾角近似等效的方法，也許這種方法并不具有實際意義。
2 等效方法
對于一個生成的3D DFN模型，我們可以求出這個模型中所有斷裂的平均傾角，這可以通過編寫一個簡單的FISH程序來實現(xiàn)，對fracture.list進行遍歷，把每條斷裂的傾角相加，再除以斷裂總數(shù)，就可以得到整個模型斷裂的平均傾角，例如得出的平均傾角為54°。
相同的模型在2D中運行，為了與3D模型得出的傾角相同，第一個過濾準(zhǔn)則是只保留那些傾角小于90°(fracture.dip(frac)<90)的斷裂，第二個過濾準(zhǔn)則是保留那些傾角在54°左右的斷裂，一個更精確的方法是在3D中求出傾角的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后在2D中使用這個值。這樣就可以在2D中作出一個僅傾角近似3D的DFN模型。
3 斷裂數(shù)目
在生成2D DFN的過程中，為了與3D生成的斷裂數(shù)目相同，需要用到斷裂數(shù)目的判斷方法。有三個不同層次的判斷斷裂數(shù)目的函數(shù)。
展開 
平面應(yīng)力脆性斷裂相場AT2模型 ￥120
（4）添加UEL和可視化UMAT單元的性質(zhì)
其中UEL的單元性質(zhì)分別是楊氏模量、泊松比、斷裂韌性、相場特征寬度值、保證數(shù)值穩(wěn)定性的小值、平面應(yīng)力問題中的厚度值
UMAT的材料性質(zhì)為楊氏模量、泊松比和單元總個數(shù)，其中楊氏模量設(shè)置為一個極小的值，不同job需要修改單元總個數(shù)的值。狀態(tài)變量的個數(shù)設(shè)置為8.
（5）修改分析步的設(shè)置
具體數(shù)值可以酌情修改，每個變量的含義可以查找Abaqus文檔。
（6）添加狀態(tài)變量的場輸出，用于可視化
2 理論
將系統(tǒng)的總勢能表示為如下兩項：
式中第一項能量為：
考慮損傷帶來的退化，彈性能的表達式為：
式中
k為一個小值，用于防止數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象。另一項斷裂能為：
因此代入具體表達式可將系統(tǒng)總勢能表達為：
對上述能量進行一階變分可得：
即可得弱形式方程為：
具體外力虛功為：
式中本構(gòu)方程為：
該弱形式方程是后續(xù)推導(dǎo)有限元方程的基礎(chǔ)。同時，通過弱形式方程也可推導(dǎo)得到強形式的控制方程，即位移場和相場的控制方程。對上述弱形式進行分部積分可得：
因次位移場和相場的強形式控制方程為：
以及相應(yīng)的邊界條件為：
3 有限元離散
為推導(dǎo)有限元離散方程，對位移場和相場控制方程的弱形式進行處理：
對位移場和相場進行插值可得：
m指單元節(jié)點的個數(shù)。因此相應(yīng)的梯度場可以插值為：
B矩陣的是由形函數(shù)對物理坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)組成的。同理有：
代入到弱形式方程中可得殘值方程；
使用牛頓迭代法求解上述非線性系統(tǒng)。
展開 傳統(tǒng)脆性斷裂相場模型的三維UEL理論及代碼 ￥120
1 引言
本部分介紹來自于《斷裂相場法》書籍。
“1998年Francfort和Marigo根據(jù)Griffith脆性斷裂理論，提出了一種斷裂力學(xué)變分原理，他們以結(jié)構(gòu)內(nèi)可能的位移場和裂紋面作為自變量，將變形能與斷裂面之和定義為結(jié)構(gòu)總能量，并且認(rèn)為真實的位移場與裂紋面使得該總能量最小。然而在數(shù)值模擬中將離散的裂紋面作為未知量來求解是非常困難的。因此2000年Bourdin等提出了一種相場模型，其中引入了一個連續(xù)的標(biāo)量場，即相場，來近似地描述裂紋。相場值為1和0分別代表材料完全破壞和完好兩種極限狀態(tài)，而它們之間的值代表了一種損傷狀態(tài)，并且裂紋的彌散程度由相場特征寬度來控制，其值越大彌散寬度越大，反之則越小。然后通過一個與相場相關(guān)的裂紋面密度泛函來重構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)的斷裂能，并將因損傷而退化的變形能與重構(gòu)的斷裂能代入Francfort-Marigo變分原理就得到了相場模型的基本列式。相場模型中的自變量為兩個連續(xù)變化的場，即位移場和相場，因此它可以很方便地由不同數(shù)值方法實現(xiàn)。直觀來看，相場模型將一個結(jié)構(gòu)內(nèi)裂紋萌生與演化問題，轉(zhuǎn)化為了一個多場耦合情況下求最小能量的優(yōu)化問題，因此它可以用于直接求解（例如分叉、交叉、融合、扭結(jié)等）復(fù)雜斷裂問題，而不需要額外的裂紋路徑追蹤方法。”
2 理論
將系統(tǒng)的總勢能表示為如下兩項：
式中第一項能量為：
考慮損傷帶來的退化，彈性能的表達式為：
式中
k為一個小值，用于防止數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象。另一項斷裂能為：
因此代入具體表達式可將系統(tǒng)總勢能表達為：
對上述能量進行一階變分可得：
即可得弱形式方程為：
具體外力虛功為：
式中本構(gòu)方程為：
該弱形式方程是后續(xù)推導(dǎo)有限元方程的基礎(chǔ)。同時，通過弱形式方程也可推導(dǎo)得到強形式的控制方程，即位移場和相場的控制方程。
展開 「CFD案例-Fluent」16 截面漸變螺旋管中的流體流動
此模型是以歐拉—拉格朗日方法為基礎(chǔ)建立的。它把流體作為連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，對此連續(xù)相求解輸送方程，而把霧滴顆粒群作為離散體系，通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道，可以計算出這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量/質(zhì)量傳遞。同時，在計算中，相間耦合以及耦合結(jié)果對離散相軌道、連續(xù)相流動的影響均可考慮進去。當(dāng)計算顆粒的軌道時，F(xiàn)luent跟蹤計算顆粒沿軌道的熱量、質(zhì)量、動量的得到與損失，這些物理量可作用于隨后的連續(xù)相的計算中去。是，在連續(xù)相影響離散相的同時，用戶也可以考慮離散相對連續(xù)相的作用。交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程，直到二者均收斂（二者計算解不再變化）為止，這樣，就實現(xiàn)了雙向耦合計算。
在采用FLUENT中的離散相模型時，需要定義每個粒子尺寸以及溫度。這些初始條件以及有關(guān)離散相物理性質(zhì)的輸入量/質(zhì)量計算的必要條件。軌跡以及熱量/質(zhì)量傳遞的計算是粒子的對流或輻射傳熱、質(zhì)量傳遞以及粒子在流場運動時的。
展開 FLUENT噴嘴射流霧化過程仿真
ANSYS CFD 操作案例
03
1、ICEM 建模
Dexit-nozzel=2mm，坐標(biāo)原點設(shè)置在水口出口圓心處
計算域：
X（-100mm，300mm）
Y（-40mm，40mm）
Z（0mm，120mm）
2、ICEM 網(wǎng)格劃分
利用“Refinement”對“Breakup region”加密；
初始網(wǎng)格數(shù)量約76萬；（水口直徑方向僅有4個網(wǎng)格）；
3、 Fluent VOF多相流模型設(shè)置
開啟“VOF”多相流模型，“顯示”形式，激活體積分?jǐn)?shù)方程“Geo-reconstruct scheme”離散算法；
激活“隱士體積力”選項，在動量方程中考慮壓力梯度和體積力平衡關(guān)系，有助于計算收斂；
開啟相間連續(xù)表面張力模型“CSF”，設(shè)置項間表面張量系數(shù)0.0635N/m;
4、 Fluent 湍流模型和離散相設(shè)置
湍流模型選擇“k-omega SST”
離散相模型，非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤，Injection Type“singel”粒子粒子材料Water 屬性設(shè)置：Most（other）Point Properties are ignored, it’s just a container
5、 Fluent VOF to
DPM 機理設(shè)置
需激活DPM離散相模型
被轉(zhuǎn)換相設(shè)置“water”
體積平衡相設(shè)置“air”；
體積等效球徑范圍設(shè)置0-2mm；
非球度設(shè)置為0.5；
6、 Fluent 網(wǎng)格自適應(yīng)設(shè)置
Mesh Adaption ：Normalised vf curvature
0.01 to 0.05 + isovalue adaption
展開 