歐拉多相流模擬的案例
Simcenter | STAR-CCM+ 解決歐拉多相流仿真不收斂
編者薦語(yǔ)：
Simcenter? 軟件的獨(dú)特之處在于它將系統(tǒng)仿真、3D CAE 和測(cè)試集于一身，可幫助您在早期和整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)預(yù)測(cè)所
歐拉多相流求解是出了名的難收斂，但事實(shí)上有許多參數(shù)可以用來(lái)調(diào)節(jié)以解決收斂性問(wèn)題，下面是一些典型的參數(shù)推薦值：
1. 由于相間相互作用增加了求解器的復(fù)雜性，歐拉多相計(jì)算所需的解算器下松弛因子(URF)小于單相計(jì)算中使用的松弛因子(URF)。一組典型的下松弛因子可能是：
壓力和體積分?jǐn)?shù)：0.1
速度、湍流和溫度：0.3
其他：0.5
用戶可以自行微調(diào)這些參數(shù)，以獲得最優(yōu)收斂性。如果有必要的話，可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。上述的這些松弛因子都是ORF（Overall Relaxation factors），對(duì)于相耦合速度、體積分?jǐn)?shù)等等這些的ORF是ERF（Explicit Relaxation Factor）和IRF（Implicit Relaxation Factor）的乘積。一般來(lái)說(shuō)減少ERF來(lái)降低ORF。
2. 對(duì)于AMG求解器，壓力使用F循環(huán)，其他使用V循環(huán)。將AMG求解器對(duì)壓力和體積分?jǐn)?shù)的收斂容差設(shè)定在1.0e-4。默認(rèn)情況下最大循環(huán)數(shù)為30個(gè)，但如果需要可以增加。
3.
展開(kāi) 分配器多相流仿真——歐拉模型和VOF
并分別對(duì)兩相流中VOF模型和歐拉模型進(jìn)行區(qū)別。先看下效果圖
二、模型和網(wǎng)格
模型見(jiàn)下左圖，部分網(wǎng)格見(jiàn)下右圖。
三、輸入條件
入口速度為1.29m/s；出口為pressure-outlet，氣是第一相，液氣體積比為0.072
四、求解
4.1 歐拉模型
首先采用歐拉模型進(jìn)行求解。
先計(jì)算19000步(晚上計(jì)算的)，再將修改液氣比為0.18(表示突然涌進(jìn)一團(tuán)液體)，再計(jì)算了3000步。
發(fā)現(xiàn)：氣態(tài)能夠較快收斂，液態(tài)需要計(jì)算一段時(shí)間后質(zhì)量才能守恒(這個(gè)案例是600步左右)。見(jiàn)下面的殘差圖和收斂圖。
以及report中的進(jìn)出口誤差計(jì)算。
最后這張是說(shuō)明歐拉方程在運(yùn)行一段時(shí)間后質(zhì)量收斂的示意圖。質(zhì)量偏差是e-6級(jí)別。
4.2 VOF模型
接下來(lái)是VOF模型。一開(kāi)始是瞬態(tài)計(jì)算，按照前面輸入條件計(jì)算了3000步，再修改液氣比計(jì)算，繼續(xù)瞬態(tài)計(jì)算了3300步，發(fā)現(xiàn)出口流量未變化。于是改為問(wèn)題，之后質(zhì)量才守恒。
五、小結(jié)
因此在采用歐拉或者VOF仿真的時(shí)候，需要認(rèn)真了解他們的原理和使用范圍，并且時(shí)刻了解各方程的收斂情況。
如，關(guān)于VOF的適用范圍：
某網(wǎng)站對(duì)VOF的討論http://muchong.com/html/201511/9632177.html
VOF模型通過(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方 程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬兩種或三種不能混合的流體。典型的應(yīng)用包括預(yù)測(cè)射流破碎、流體中大泡的運(yùn)動(dòng)、決堤后水流動(dòng)和氣液界面的穩(wěn)態(tài)和 瞬態(tài)處理。FLUENT中VOF存在以下限制：
1）必須使用離散求解 器，VOF模型不能用于耦合求解器
2）所有的控制體積必須充滿 單一流體相或相的聯(lián)合，VOF模型不允許在那些空的區(qū)域沒(méi)有任何流體的存在。
展開(kāi) FLUENT多相流案例之五：基于歐拉模型的二維均勻流化床仿真 ￥299
Fluent軟件的歐拉模型為研究含復(fù)雜相間遷移的固體顆粒流動(dòng)提供了重要的建模工具。盡管歐拉模型對(duì)相關(guān)物理進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述，但模型中使用的阻力定律在本質(zhì)上仍然是半經(jīng)驗(yàn)的。因此，正確地預(yù)測(cè)顆粒床由于界面阻力和物體力之間的平衡而處于懸浮狀態(tài)的臨界或最小流態(tài)化條件是至關(guān)重要的。本算例的以UDF的形式定義該關(guān)系式，有兩個(gè)DEFINE_EXCHANGE_PROPERTY函數(shù)，僅列出部分截圖。
流化過(guò)程動(dòng)畫(huà)
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FLUENT多相流案例之六：基于歐拉模型并考慮臭氧分解反應(yīng)的流化床氣/固兩相流仿真 ￥99
采用UDF定義流化過(guò)程的阻力和化學(xué)反應(yīng)速率，其中流化過(guò)程的阻力表達(dá)式與FLUENT多相流案例之五：基于歐拉模型的二維均勻流化床仿真中一致。
而化學(xué)反應(yīng)速度定義的UDF截圖如下：
臭氧分布結(jié)果
臭氧速度云圖
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四十二、Fluent歐拉模型流化床模擬
wx_fmt=gif" width="100%"> </p><p>歐拉模型：</p><p>歐拉多相流模型可以模擬顆粒流動(dòng)，但是與DPM離散模型不同，歐拉模型模擬顆粒物流動(dòng)是將顆粒物看成流體進(jìn)行模擬的，其無(wú)法追蹤顆粒粒子軌跡。Chapter40 Fluent 顆粒\氣泡PBM模型也是如此</p><p><br></p><p><strong>2. 模型描述</strong></p><p> </p><p>氣體通過(guò)流化床底部向上流動(dòng)，流化床下半部有固體顆粒。空氣流過(guò)固體顆粒可將顆粒吹起懸浮。同時(shí)流化床底部有一個(gè)小孔，氣體可從小孔流出。</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy9JWfQkAdbkW7eJGv05bQzMxZbEGfia8f2bNhEPk8E054KJog9U2IV27jtYE39Sb9ib4H85f2sVUDrg/640?wx_fmt=jpeg" width="552" style=""> </p><p><br></p><p><strong>3. 基本設(shè)置</strong></p><p> </p><p><strong>3.1 導(dǎo)入網(wǎng)格：</strong></p><p><br></p><p>使用Fluent軟件打開(kāi)Chapter46.msh.gz網(wǎng)格文件，文件在本文末尾鏈接資源內(nèi)。</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy9JWfQkAdbkW7eJGv05bQzMlcSeib57qUuXHrDVBFNY4GwC5ywRMDQFwrtKZTzQeNwD56IBS2icqpkA/640?
展開(kāi) 爆炸模擬-任意拉格朗日歐拉算法流固耦合爆破模擬附K文件
Lagrange_ERODING接觸.k
ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM11.k
Lagrange_STS接觸.k
Lagrange_SLIDING接觸.k
ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM12.k
Lagrange共節(jié)點(diǎn).k
流固耦合模擬爆破分兩種方式：
1、參照K文件——ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM12，其中元素方程式選擇12（中心單點(diǎn)積分的單一物質(zhì)材料及空白單元 的ALE 單元），主要注意炸藥單元同空網(wǎng)格單元要共節(jié)點(diǎn)，并且要在設(shè)置初始條件中設(shè)置*INITIAL_PART_VOID.材料和section與炸藥相同，炸藥可以在兩個(gè)part間自由流動(dòng)。炸藥和VOID與被爆炸物質(zhì)單元用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID連接。
2、參照K文件——ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM11，其中元素方程式選擇11（中心單點(diǎn)積分的 ALE 多物質(zhì)單元（一個(gè)單元內(nèi)可以包含多種物質(zhì)）），需要定義一個(gè)*MAT_NULL（air）EOS_LINEAR_POLYNOMIAL的part網(wǎng)格單同炸藥part共節(jié)點(diǎn)。炸藥和air與被爆炸物質(zhì)單元用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID連接。
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展開(kāi) 歐拉-拉格朗日數(shù)值模擬
歐拉-拉格朗日數(shù)值模擬
非牛頓流體多相流模擬
如下論文，雙歐拉模型
多相流模擬仿真在核電領(lǐng)域的應(yīng)用及展望
多相流現(xiàn)象廣泛存在于核反應(yīng)堆的各個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備中，如冷卻劑的多相流動(dòng)、燃料元件的傳熱、蒸汽發(fā)生器的汽水分離等。準(zhǔn)確模擬和分析這些多相流現(xiàn)象，對(duì)于核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、安全分析以及事故預(yù)防和處理具有重要意義。多相流模型作為一種有效的工具，能夠?qū)?fù)雜的多相流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)，在核電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。
二、多相流模型簡(jiǎn)介
（一）歐拉-歐拉體系
將每一相都視為連續(xù)介質(zhì)，適用于相間相互作用強(qiáng)烈，顆粒尺寸小、濃度高的情況。例如在氣液兩相的鼓泡塔反應(yīng)器中，氣體以氣泡的形式大量分散在液體中，此時(shí)可以將氣液兩相都視為連續(xù)介質(zhì)，因?yàn)闅馀葜g相互交錯(cuò)，液體也充滿整個(gè)空間。曳力是相間動(dòng)量傳遞的主要方式，模型通過(guò)曳力項(xiàng)來(lái)耦合各相的動(dòng)量方程。常用的曳力模型有 Schiller - Naumann 模型等，其曳力系數(shù)會(huì)根據(jù)流體的相對(duì)速度、顆粒形狀等因素進(jìn)行計(jì)算，用于描述氣體和液體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互阻礙、帶動(dòng)的力。
廣泛應(yīng)用于氣液兩相流動(dòng)，如沸騰、噴霧干燥等過(guò)程。在噴霧干燥中，液滴在熱氣流中蒸發(fā)干燥，此時(shí)氣液兩相的相互作用對(duì)干燥效果和產(chǎn)品粒徑分布有重要影響，歐拉 - 歐拉模型可以模擬氣液兩相的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，為優(yōu)化噴霧干燥工藝提供依據(jù)。
（二）歐拉-拉格朗日體系
流體（連續(xù)相）采用歐拉方法處理，通過(guò)在固定的空間網(wǎng)格上求解流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，得到流體的速度、壓力和溫度等宏觀場(chǎng)量。離散相（如顆粒、液滴）采用拉格朗日方法處理，以顆粒為計(jì)算單元，跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算顆粒的位置、速度、溫度等隨時(shí)間的變化。
離散相與連續(xù)相之間通過(guò)源項(xiàng)進(jìn)行耦合。可以精確地獲取每個(gè)離散相粒子的運(yùn)動(dòng)信息，包括其在空間中的位置、速度、加速度等，這對(duì)于研究離散相的分布、碰撞和聚集等現(xiàn)象非常有利。
展開(kāi) 基于任意拉格朗日-歐拉 (ALE) 技術(shù)和相場(chǎng)方法的流固耦合模擬 ￥1500
<p>本案例基于任意拉格朗日-歐拉 (ALE) 技術(shù)和相場(chǎng)方法模擬容器內(nèi)流體在自重作用下的流動(dòng)，且與不同高度阻擋壁的流-固耦合作用過(guò)程。該模型可以擴(kuò)展應(yīng)用于其它涉及兩相流固耦合的實(shí)際工程項(xiàng)目中。模擬結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202212/896e2842077f418eb6c69dde2ac4bb99.gif" alt="Untitled11.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>阻擋壁高度較小時(shí)，水流淹沒(méi)流過(guò)阻擋壁，阻擋壁發(fā)生變形位移</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202212/f5993448058c451ea59f8b40f80bcc46.gif" alt="Untitled12.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>阻擋壁高度較大時(shí)，水流被阻擋在阻擋壁一側(cè)，阻擋壁發(fā)生變形位移</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p>
展開(kāi) CEL(拉格朗日-歐拉耦合)模擬水蝕 ￥10
<p>一個(gè)簡(jiǎn)單的例子-模擬水蝕的過(guò)程。</p><p>目前采用CEL方法實(shí)現(xiàn)單個(gè)水平?jīng)_擊金屬涂層基體的過(guò)程，具體詳細(xì)步驟大家可以自行去研究cae和inp文件，如果有不明白的地方，可以</p><p>在此感謝Usim大佬的支持，大家可以搜索會(huì)員名字 Usim ，去他的主頁(yè)看看，不是一般的NB，動(dòng)力顯示分析的大手。</p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/201911/3087fbaf649f45418aa83b57fa895b12.gif" title="CEL.gif" alt="CEL.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201911/3087fbaf649f45418aa83b57fa895b12.gif?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/201911/3087fbaf649f45418aa83b57fa895b12.gif?
展開(kāi) 
埋地管道泄漏爆炸的多相流模擬 ￥2000
在fluent中模擬（二維）埋地管道發(fā)生泄漏后，氣體通過(guò)土壤擴(kuò)散到空氣中，遇火源發(fā)生爆炸。主要結(jié)果是分析氣體的多相流（產(chǎn)生的熱輻射和超壓），不考慮對(duì)管道和土壤的破壞。
運(yùn)用歐拉算法對(duì)聚能射流形成進(jìn)行模擬
第一步，初始化新的工程
（1）工程名稱(chēng)命名為“shaped_charge”；
（2）選擇2D軸對(duì)稱(chēng)；
（3）選擇單位制“mm”“mg”“ms”；
（4）單擊確定。
第二步，從材料庫(kù)中選取材料
選擇“AIR”“octol（奧克托今）”“CU-OFHC（銅合金）”(按住 Ctrl鍵可以連續(xù)選擇)。
第三步，定義邊界條件
第四步，創(chuàng)建空氣模型
（1）在導(dǎo)航條上選擇“Parts”菜單，單擊對(duì)話面板上的“New”菜單，輸入“air”作為Part名稱(chēng)，選擇“Eular，2D Multi-material”求解器，單擊“Part wizard”，單擊“Next”；
（2）選擇“Box”，輸入（-50,0）作為原點(diǎn)，X和Y方向的長(zhǎng)度分別為“300”和“50”；
（3）輸入X和Y方向的單元格數(shù)量分別為“600”和“100”，單擊“Next”；
（4）選擇“AIR”作為填充材料，在初始化內(nèi)能輸入“2.068e5”，單擊確定。
第五步，創(chuàng)建炸藥模型
（1）在導(dǎo)航欄單擊“Parts”，在對(duì)話面板中選擇“Fill”，然后單擊“Fill by Geometrical Space”；
（2）單擊“Rectangle”，輸入X1=0、X2=31.3,Y1=0、Y2=2.825，選擇“OCTOL”作為填充的材料，單擊確認(rèn)；
（3）繼續(xù)填充材料，單擊“Quad”，輸入（X1,Y1）=（31.3,2.825）,（X2,Y2）=（73.3,27.0737），（X3,Y3）=（0,27.0737
展開(kāi) 常頂揮發(fā)線的露點(diǎn)腐蝕與多相流模擬
3.3 pH值的分布與腐蝕速率預(yù)測(cè)
圖9 液相區(qū)域pH值云圖
中性水注入到揮發(fā)線后，pH值即開(kāi)始降低（由于腐蝕性介質(zhì)從氣相快速溶解到水相）
下游的水相pH值逐漸升高（更多的水注入到揮發(fā)線管道內(nèi)）
在模擬范圍內(nèi)的最小pH值為4.34，出現(xiàn)在液相跌落點(diǎn)，距注水點(diǎn)約0.56m處，根據(jù)API581的腐蝕模型，計(jì)算得到此處的腐蝕速率為1mm/a。
另外，受管道壁面吸附作用，在上游區(qū)域也出現(xiàn)了低pH值的薄液層（壁面吸附作用，與表面狀態(tài)有關(guān)）。
3.4 不同液滴粒徑的對(duì)比
采用不同液滴粒徑的注水工況1、2和3的進(jìn)行模擬。
圖10 不同液滴粒徑的影響
小液滴的傳熱效果更好，下游的液相溫度上升，一旦達(dá)到氣化溫度，則將發(fā)生氣相轉(zhuǎn)變；對(duì)pH值的影響較明顯。
3.5 不同注水流量的對(duì)比
采用不同液滴粒徑的注水工況2、4和5的進(jìn)行模擬。
圖11 不同注水流量的影響
對(duì)傳質(zhì)（降溫效果）和跌落距離產(chǎn)生了一定影響；對(duì)pH值的影響并不明顯。
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)塔頂揮發(fā)線中腐蝕性介質(zhì)的多相流進(jìn)行模擬研究，在注入中性水后，氣相腐蝕性介質(zhì)HCl和H2S快速溶解進(jìn)入水相中，導(dǎo)致水相pH值呈酸性，在注水點(diǎn)下游的跌落區(qū)域pH值最低，因此這一區(qū)域?qū)儆诟g重點(diǎn)部位，應(yīng)當(dāng)予以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)或者施加必要的防腐措施。
對(duì)不同的注水流量和液滴粒徑的注水工況進(jìn)行模擬后，發(fā)現(xiàn)注水參數(shù)均對(duì)跌落區(qū)的位置、最低pH值產(chǎn)生了影響，其中液滴粒徑的影響更加顯著。由此可見(jiàn)，進(jìn)行多相流模擬仿真可以較好的預(yù)測(cè)塔頂揮發(fā)線注水后的腐蝕部位，幫助確定注水流量、注水噴頭影響的液滴粒徑等工藝參數(shù)來(lái)指導(dǎo)進(jìn)行有效的工藝防腐。
展開(kāi) 耦合歐拉-拉格朗日（CEL）法攪拌摩擦焊接模擬
20170929205500.gif
采用耦合歐拉-拉格朗日法對(duì)攪拌摩擦焊接攪拌頭下扎過(guò)程進(jìn)行Abaqus數(shù)值模擬。
