多相流模型

FLUENT入门培训

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Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006

简 介

• 相是指在流场或者位势场中，具有相同的边界条件和动力学特性

的同类物质. • 相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式:

– 具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相

（例如：液体－液体，油－水）

• 液体由原相（primary）和次相的混合相

（secondary）组成– 原相(primary)可以认为是连续介质

– 次相 (secondary) 认为是分散在

原相中

– 可能有很多混合相以不同的大小分布

在不同的位置

• 相反, 多组分流（成分输运）是一种可以用单一的速度和温度来定

义所有成分的流动。

Primary Phase

SecondaryPhase

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选择多相流模型

• 为能选择合理的模型，用户需要推理得到下列 形式的一些流动参数:

– 流动域• 微粒 (连续介质中的气泡，液滴和固体颗粒)• 分层 (流体分界面的长度和域的长度成正比)

– 多相湍流模型

– 在颗粒流动中，可以估计出• 颗粒体积填充量

• Stokes数

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多相流的各种形式

– 气泡流－连续液体介质中的离散气

泡，例如：减震器，蒸发器， 喷射

装置。

– 液滴流－连续气体介质中的离散液

滴，例如 ：喷雾器，燃烧室

– 活塞流－大的气泡在连续液体中

– 层流/自由表面流－不能混合的流体有

清晰的分离面，例如：自由表面流

– 粒子流－连续液体中的固体颗粒，例

如 ：旋转分离器，空气清新器，吸尘

器，尘埃环境流

– 流动层－流动层反应堆

– 泥浆流 –

液体中的质点流，固体悬浮

液，沉淀，和水力输运

Gas/LiquidLiquid/Liquid

Gas / Solid

Liquid / Solid

Slug Flow Bubbly, Droplet, orParticle-Laden Flow

Stratified / Free-Surface Flow

Pneumatic Transport,Hydrotransport, or Slurry Flow

Sedimentation Fluidized Bed

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填充体积和微粒

• 填充体积 –

分散型或者密集型

– 这个和混合相（ secondary phase）的体积分数有关

– 分散型 (< 10%), 内部颗粒间的距离大于颗粒直径两 倍，因此，颗粒间的相互作用可以忽略。

密集型 – 散布率和连续相惯量

⎩⎨⎧≅<<

=ρα

ραcoupling way two1,coupling way one ,1

contcont

partpart

ncell/domai theof Volumencell/domai ain phase theof VolumeFraction Volume =α=

primaryV

cellV

secondaryV

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多相流中的湍流模型

• 多相流中的湍流模型非常具有挑战性。

• 如今，单相湍流模型（例如k–ε和 RSM

）只 是用在基础相的湍流模型计算中。

• 考虑到混合相，湍流方程需要更多的项来建立 湍流模型。

• 如果相离散而且密度比例为1，或者颗粒分布 是分散性，混合物质便可以用单相模型来表达。

• 其它情况时，可能依然使用单相模型，或者使 用“粒子成分修正”模型。

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Stokes数

• 系统载入媒介粒子时，根据Stokes数选择合适的模型。– Stokes数(St)是粒子(分散内相)时间松弛系数(τd )和流动特征

时间比例(τc )的比值。

其中 . ，

– D 和 U 是问题中的特征长度和速度标量。

– 如果 St << 1, 粒子流动将会跟随流场流动。

– 如果 St > 1, 粒子流动独立于流场流动。

c

d

ττ

=St

c

ddd

dμ

ρ=τ

18

2

UD

c =τ

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混合物质相

• 在 FLUENT中所有的混合模型，任何相都可以 看成是由一种材料或者由混合物质组成。

• 混合相的材料定义和单相流中的定义一样。

• 可以建立不同类的反应 (属于不同相中反应物 和产物间的反应).

– 这个意味着不同类反应将会导致界面间的质量传递。

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Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006FLUENT中的混合模型

• 粒子流模型– 离散相模型 (DPM)– 混合相模型

– 欧拉混合多相流模型

• 层流模型– VOF模型

Define Models Multiphase…

Define Phases…

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离散相模型

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离散相模型 (DPM)

• 拉格朗日计算方法下粒子/液滴/气泡的轨迹。

– 粒子可以通过连续气体介质交换热量、质量和动量。

– 每条轨迹都是由一组初始条件相同的粒子形成。

– 粒子与粒子间的相互作用可以忽略。

– 可以使用随机轨迹或者“粒子云团”来建立湍流散布模型。

• 几种有效的子模型方法:– 散布相的加热/冷却

– 流体液滴的汽化和蒸发

– 燃烧粒子的挥发演变和燃烧

– 喷雾模型中液滴的分裂和融合

– 腐蚀/衍生

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DPM模型的适用条件

• 流域: 气泡流, 液滴流, 粒子流

• 填充体积: 必须是分散型 (体积率 < 12%)• 填充粒子: 少量到适中

• 建立湍流模型: 相之间的弱结合和强结合

• Stokes数: 所有 Stokes数

• 案例

– 气旋

– 喷雾干燥器

– 粒子的分离和分类

– 浮质散布

– 液体燃料

– 媒的燃烧

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DPM 案例 –

喷雾干燥器仿真

• 使用FLUENT中DPM 模型模拟仿真喷雾干

燥过程，包括液体喷

雾进入加热室接触干

燥粉末时的流动，热

交换和质量交换。

• 优化喷雾干燥器中的

不同参数时，CFD仿

真技术起到不可或缺

的作用。

Path Lines Indicating the Gas Flow Field

Air and methaneinlets

Centerline forparticle injections

Outlet

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喷雾干燥器仿真 (2)

Contours of Evaporated Water

Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters

Initial particleDiameter: 2 mm

1.1 mm 0.2 mm

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欧拉多相模型

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欧拉多相模型

• 欧拉多相模型是一种平均N-S方程，可以计算任意粒子 和连续相物质。

• 结果是每相守恒方程的集合 (连续相 + N种粒子媒介)。• 两相同时共存: 每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯

度，导热率等）＋分界面项。

• 分界面项包括动量（升力），热量和质量交换。这些 方程很难收相交，因为都是些非线性的比例项，机械 上的（相间的速度差分），热上的（温度差分）。

• 加上模型多种多样（湍流模型等）。

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欧拉模型中的粒状选项

• 当含有高浓度的固体颗粒时，就会产生粒状流，粒子 间的作用将时常发生。

• 粒子将被相似的考虑为有一定密度，分子相互碰撞的 云团组成。粒子相需要考虑分子云团的概念。

• 这个理论需要在连续相和粒子相的动量方程中增加表 面附加项

– 粒子速度变化强度决定这些项 (粒状 “粘性”, “压力”等) 的大小。

– 动能和粒子的速度变化表现为“假热（pseudo-thermal）”或者

粒状温度。

– 考虑进粒状项的不可伸缩性。

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欧拉模型的适用条件

• 流域

气泡流, 液滴流, 泥浆流, 流动层, 粒子流

• 填充体积

稀释密度

• 填充粒子

低浓度到高浓度

• 湍流模型

相间的弱结合和强结合

• Stokes数 所有

• 案例– 高浓度粒子载流

– 泥浆流

– 沉淀

– 水力运输

– 流动层

– 冒口

– 填充层反应堆

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欧拉模型案例 –

三维气泡柱

Iso-Surface of Gas Volume Fraction = 0.175

Liquid Velocity Vectors

z = 5 cm

z = 10 cm

z = 15 cm

z = 20 cm

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欧拉模型案例 –

循环流动层

Contours of Solid Volume Fraction

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Courtesy of Fuller Company

混合模型

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混合模型

• 混合模型是一种建立多相流模型的简化欧拉方法。

• 简化的基础是假设 Stokes数非常小 (粒子和基础相的速 度大小相等，方向相同)。

• 解算混合动量方程（平均质量混合速度）和得出描述 散布相的相对速度。

– 界面间的物质传递和相对速度有关，这个代数关系建立在St << 1 的情况下。这也就表示分离的相不能使用混合模型来建

立。

– 如果需要，混合模型中同样也能纳入湍流和能量方程。

• 为每个混合相解算相应的体积率输运方程。

• 对气穴现象非常有效的子模型 (详细请参见附录).

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混合模型适用条件

• 流域: 气泡, 液滴和泥浆流

• 体积载荷: 分散适当密度

• 粒子载荷: 弱到中等

• 湍流模型: 相之间的弱作用

• Stokes数: St << 1

• 案例– 水力漩流器

– 气泡柱状反应堆

– 固体悬浮液

– 喷射气流

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混合模型案例 –

喷射气流

• 使用混合模型模拟

仿真氮气喷射进入

搅动箱的过程，通

过MRF技术对旋转

喷流叶片进行模拟

仿真。

• FLUENT 模拟仿真

对搅动系统中的气

流截阻进行了很好

的预估。

Contours of Gas Volume Fraction at t = 15 sec.

Water Velocity Vectors on a Central Plane

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VOF模型

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VOF模型

• VOF模型是设计用来计算两种或者多种不相容流体分 界面位置轨迹的方法。

• 轨迹是通过解算已经很成熟的连续相方程得到的－－ 通过求出体积分量中急剧变化的点来确定分界面的位 置。

• 通过使用混合材料属性来解算混合流体动量方程，因 此在分界面上，混合流体材料属性会有个跳跃。

• 混合流体同样考虑了湍流方程和能量方程。

• 表面张力和壁面效应都在考虑的范围之内。

• 相是可压的，而且是混合物。

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分界面插值方法

• 在FLUENT中，为了获得表面流量，标准的插

值方法假设每个单元只有一种相。

• 方法如下:– 几何重建

• 默认的方法，只能应用与非定常流，不考虑数值

差分，要求很高的网格质量

– 欧拉显式

• 只能应用与非定常流，在差的网格单元上有固定

的数值差分方法 –

使用高阶VOF离散（high order VOF discretization） (HRIC, CICSAM)

– 欧拉隐式

• 定常和非定常都使用相同的求解器，在差的网格

单元上有固定的数值差分方法 –使用高阶VOF离

散(HRIC, CICSAM)

vapo

rliq

uid

vapo

rliq

uid

Actual interface shape

Geo-reconstruct(piecewise linear)Scheme

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VOF模型的适用性

• 流域

活塞流，层流/自由表面流

• 体积载荷

分散型和密集型

• 粒子载荷

弱到强

• 湍流模型

相之间的弱作用到中等作用

• Stokes数 所有

• 案例

– 大型活塞流动

– 倒水（ Filling

）

– 波浪（ Offshore separator sloshing

）

– 沸腾（ Boiling

）

– 涂层（ Coating

）

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Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF模型案例 –

晃动的汽车油

箱

• 在FLUENT中使用

VOF模型，仿真模拟

各种加速环境下，汽

车油箱中液体的晃动

（自由表面移动）。

• 通过仿真手段，我们

可以看出，使用油箱

底部隔板时（下

图），始终能保持输

油管口淹没在油当

中，而没使用隔板时

（上图），输油管口

则有时会露在油面之

上。

Fuel Tank Without Baffles

Fuel Tank With Baffles

t

= 1.05 sec t

= 2.05 sec

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Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF模型案例 –

水平薄膜状沸

腾

Plots showing the rise of bubbles during the film boiling process(the contours of vapor volume fraction are shown in red)

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概要

• 根据各人的需要，主要是从流动形态，体积载荷，粒 子载荷，湍流和Stockes数方面，可以选择合适的模型。

– 使用VOF模型模拟自由表面流和层流。

– 使用欧拉粒状模型模拟高度粒子载荷流。

– 按Stokes数从低到中，可以对粒子载荷流进行分类：

• 如果St > 1, 混合模型不适用，但是我们可以使用DPM或者欧拉方法。

• 如果St ≤

1, 所有模型都适用，这时就需要考虑计算速度

和其它的因素。

• 减少低松弛因子可以更好的解决方程相之间的强结合 问题。

• 用户应该了解各种模型的优势和劣势。

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附录

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建立离散相模型 (DPM)

Define Models Discrete Phase…

Define Injections…

Display Particle Tracks…

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DPM 模型边界条件

• Escape

• Trap

• ReflectWall-jet

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混合模型方程

• 解算混合物连续性方程

• 解算每个混合相体积率之间的交换方程

• 解算混合物动量方程

• 混合属性的定义

( ) [ ] ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρα⋅∇++ρ+∇+∇μ⋅∇+−∇=ρ⋅∇+ρ

∂∂ ∑

=

n

k

rk

rkkkm

Tmmmmmmm p

t 1

)()( uuFguuuuu

( ) mt mmm &=ρ⋅∇+

∂ρ∂ u

( ) ( ) ( )rkkkmkk

kk

tuu ρα⋅−∇=ρα⋅∇+

∂ρα∂

∑=

ρα=ρn

kkkm

1∑=

ραρ

=N

kkkk

mm

1

1 uu

mkrk uuu rrr

−=

∑=

μα=μn

kkkm

1

Drift velocity

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混合模型设置 (1)

Define Models Multiphase…

Define Phases…

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混合模型设置(2)

• 边界条件

• 为每个混合相设置体积率。• 为定义相的初始位置，在

初始化后，设置相的体积

率。

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气穴模型

• 气穴模型是模拟当本地流体压

力低于蒸汽压力时，气泡的形

态。

• 气体是不可压缩的。

• 使用了质量守恒方程，来解决

蒸汽相中蒸汽的产生和浓缩。

这些现象和当地压力，还有蒸

汽的饱和压力有关。（当存在

可压缩气体时要进行校正）

• 通常使用混合模型，相反便使

用VOF模型。

• 指南中有对设置程序更加深入

的说明。

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( ) ( ) ( ) ( )qqtqqq

n

pqpqpqqqqqqqqq

qqq mpt ,vm,lif

1

FFFuRτguuu

++ρα+++⋅∇+ρα+∇α−=ρα⋅∇+∂

ρα∂ ∑=

&

欧拉多相模型方程

• 连续方程:

• 第q 相的动量方程:

• 内部相力交换的表达式为:而且:

• 可以用同样的方法为第q相建立能量方程

( ) ( ) ∑=

=ρα⋅∇+∂

ρα∂ n

ppqqqq

qq mt 1

&u

( )qppqpq K uuR −=

qppq FF −=

transient convection pressure shear

interphaseforces

exchange

interphase mass

exchange

body external, lift, and virtual mass forces

Volume fraction for the qth phase

Solids pressure term is included for granular model.

Exchange coefficient

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欧拉多相模型方程

• 第q相中第i种介质的多相介质传输

• 同类和不同类的反应，都使用和单相中相同的设置。

• 属于不同的相中的介质可能相同，但是他们之间没有任何联系。

( ) ( ) ( )∑=

−+α+α+α⋅−∇=ρα⋅∇+ρα∂∂ n

ppqqp

qi

qqi

qqi

qqi

qqqqi

qqijji mmSRYY

t 1

&&Ju

transient convective diffusionhomogeneous

reaction homogeneous

production

heterogeneousreaction

Mass fraction of species i in qth phase

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欧拉模型设置

Define Models Viscous…

Define Phases…

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欧拉粒状模型设置

• 当定义混合相时，粒状选项必须 是有效的。

• 需要定义粒状的属性。

• 为更好模拟粒状流，必须选上相 间作用模型。

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VOF 模型设置

Define Models Multiphase…

Define Phases…

Define Operating Conditions…Operating Density should be set to that of lightest phase with body forces enabled.

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不同种类反应设置

Define Phases…

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适应多相的UDF

• 当多相模型被选上时，便会留出

混合物或者单独相的属性和变量

存储空间。– 根据附加线和域数据结构的需要

进行设置。

• 大体上， DEFINE 宏的类型决定

了线或域（混合物或者相）传递

给UDF的数据。

• C_R(cell,thread) 中的

thread 如果指向混合物，返回

的便是混合物的密度，如果指向

的是相，返回的便是相的密度。

• 数值宏用于取回数据。

Mixture ThreadMixture Domain

Phase 2Domain

Phase 1Domain

Phase 3Domain

PhaseThread

Interaction Domain

Domain ID =

2 3 4

1

5

Domain ID

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