ANSYS FLUENT官方培训教程08物理模型
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气 /液 液 /液
– 液滴流 – 连续气体中的离散液滴， 如喷雾器、燃烧器 – 柱塞流 – 连续液体中的大尺度气泡 – 分层 / 自由表面流– 不相溶的流体被 清晰的界面分开，如自由表面流 – 颗粒流 – 连续气体中的离散固体颗
Slug Flow
Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow
Initial particle Diameter: 2 mm
Contours of Evaporated Water Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
A Pera Global Company © PERA China
Temperature in a Gas Furnace
CO2 Mass Fraction
Stream Function
背景知识
模拟燃烧中的化学反应
– 快速化学反应
• 全局化学反应机理（有限速率/涡耗散） • 平衡/小火焰模型（混合分数）
Fuel Reactor Oxidizer Outlet
– 有限速率反应
Animation of Gas Volume Fraction Contours
A Pera Global Company © PERA China
Water Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec.
VOF 案例 – 汽车油箱晃动
模拟不同加速条件 下，液体在汽车油箱 中的自由液面晃动 模拟显示油箱底部的 挡板可以保持入油口 浸没在油中，如果没 有挡板时，入油口在 某些时间会露出油面
NOx 形成模型（预测定性的 NOx 形成趋势） – FLUENT 包括三种 NOx 产生机理
• Thermal NOx • Prompt NOx • Fuel NOx
– NOx 还原模型 – 选择性非催化还原模型 (SNCR) l
• 喷入氨水或尿素
烟灰形成模型 – Moos-Brookes 模型 – 一步模型，两步模型 – 烟灰对辐射吸收的影响 SOx 形成模型 – 求解SO2, H2S, 或者SO3 方程 – 一般 SOx 预测都作为后处理过程来进行
动网格简介
许多问题需要考虑平移或旋转的部件 对移动域，有两种基本的模型方法:
– 运动的参考坐标系
• 参考坐标系和运动域联系在一起 • 修正控制方程来考虑运动坐标系
– 运动/变形域
• 域的位置和形状在静止坐标系下跟踪 • 求解本质上是瞬态的
A Pera Global Company © PERA China
Fuel Tank Without Baffles
t = 1.05 sec
t = 2.05 sec
Fuel Tank With Baffles
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化学反应流
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化学反应流的应用
选择合适的模型非常重要
– 取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个 区别 – Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例）也应该考 虑进来
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DPM 例子-喷雾干燥
喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中，用DPM模拟 流动、传热、传质过程
运动域的CFD模型方法
单参考坐标系 (SRF)
多参考坐标系 (MRF)
混合平面法 (MPM)
滑移网格 (SMM)
运动 / 变形网 格 (MDM)
运动坐标系
运动域
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单参考坐标系模型 (SRF)
SRF 把单一的运动域和一个坐标系 连接起来 – 所有的流体域在运动坐标系下定义 – 旋转坐标系引入了附件加速度 为什么要使用运动坐标系? – 在静止坐标系下流场是瞬态的，使 用旋转坐标系后流场可以看做稳态 的 – 优势
流动结构
– 非预混反应系统
• 可简化为混合系统
Fuel + Oxidizer
Reactor
Outlet
Secondary Fuel or Oxidizer
– 预混反应系统
• 冷态反应物传播到热的生成物中.
Fuel + Oxidizer
Reactor
Outlet
A Pera Global Company © PERA China
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DPM模型
描述 – 颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解 – 颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换 – 每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为 – 单个颗粒的互相影响被忽略 – 离散相体积分数必须小于10 多个子模型 – 离散相的加热/冷却 – 液滴的蒸发和沸腾 – 可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧 – 喷雾模型模拟液滴破碎和聚合 – 磨损/增长 应用范围 – 颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃 烧.
Finite-Rate Chemistry
Laminar Finite-Rate Model Eddy-Dissipation Concept (EDC) Model Composition PDF Transport Model
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污染物模型
1.1 mm
0.2 mm
欧拉模型的例子 – 三维气泡床
z = 20 cm
z = 15 cm
z = 10 cm
z = 5 cm
Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175
Liquid Velocity Vectors
A Pera Global Company © PERA China
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表面反应
对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组 分不同的另外一种组分 对每个吸收表面组分求解地点平衡方程
– 可以考虑详细表面反应机理（任意的多步反应，任意数量的气相 组分/沉积组分） – CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT. – 表面反应可以在壁面或多孔介质中发生 – 可以在不同的表面定义不同的表面反应机理
FLUENT 包含了从计算均相反应到非均相反应的多个反应模型 – 炉子 – 锅炉 – 热处理炉 – 燃气轮机 – 火箭发动机 – 内燃机 – CVD, 催化反应 反应流一般预测 – 流动和混合 – 温度 – 组分浓度 – 颗粒和污染
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Fast Chemistry
Non-Premixed Equilibrium Model
Mixture Fraction
Partially Premixed Model
Reaction Progress Variable + Mixture Fraction
Laminar Flamelet Model
– 其中一种流体是连续的（主流体） – 其他相是离散的，存在于连续相中 – 可以有多种次流体相，代表不同尺寸的颗粒
Secondary phase(s)
Primary Phase
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多相流体系
– 气泡流 – 连续液体中存在离散的气 泡，如气体吸收器，蒸发设备，鼓 泡设备
应用案例
– 催化反应 – CVD（化学沉积）
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总结
对反应流动，有四个基础的教程
– 组分传输和气相燃烧 – 非预混燃烧 – 表面化学反应 – 液滴挥发
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动网格
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欧拉模型中的粒状选项
当存在高浓度的固体颗粒时，会导致颗粒 间高频率的碰撞，此时应选Granular 假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞 行为，对颗粒相使用分子云理论
Gravity
应用这个理论后，连续相和颗粒相的动量 方程都增加了附加应力 – 这些应力 (颗粒 “粘性”, “压力” 等.) 由颗粒 速度脉动强度确定 – 伴随颗粒速度脉动的动能由拟热“pseudothermal” 或颗粒温度代表 – 不考虑颗粒的弹性变形
Gas / Sand Gas
Contours of Solids Volume Fraction for High Velocity Gas/Sand Production
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混合模型案例 – 气体鼓泡
用混合模型模拟氮气 喷入混合器中的流 动，用MRF方法模拟 旋转叶片的效应 FLUENT 很好的模拟了 气体的停顿和搅动过 程。
Stratified / FreePneumatic Transport, Surface Flow Hydrotransport, or Slurry Flow
ห้องสมุดไป่ตู้
气 /固
粒，如旋风分离器，空气净化器， 吸尘器 – 流化床 – 流化床反应器 – 泥浆流 – 液体中的固体颗粒，固体 悬浮、沉积、液力输运
ANSYS FLUENT 培训教材 第八节：物理模型
安世亚太科技（北京）有限公司
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概要
多相流模型 – Discrete phase model – Eulerian model – Mixture model – Volume-of-fluid model 化学反应模型 – Eddy dissipation model – Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models – Detailed chemistry models – Pollutant formation – Surface reactions 动网格 – Single and multiple reference frames – Mixing planes – Sliding meshes – Dynamic meshes – Six-degree-of-freedom solver
Sedimentation Fluidized Bed
液 /固
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FLUENT中的多相流模型
FLUENT 包括四种不同的多相流模型:
– Discrete Phase Model (DPM) – Volume of Fluid Model (VOF) – Eulerian Model – Mixture Model
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多相流模型
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简介
相具有可定义的边界，对周围流场有特定的动力响应 相一般分为固体、液体和气体，但也指其他形式：有不同化学属 性的材料，但属于同一种物理相（如液-液） 多相流体系统分为一种主流体相和多种次流体相
• • • • 用稳态方法求解* 边界条件更简单 调试更快捷 更容易的后处理的分析
Centrifugal Compressor (single blade passage)
*注意: 在旋转坐标系下有时依然有瞬态现 象，如湍流、周期非平衡、分离、涡脱落 等
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多参考坐标系模型 (MRF)
包括有静止域和运动域的多域问题， 此时，单参考坐标系不适合 这类系统可以这样处理：把域分割为 多个域：一些域旋转，一些域静止 域之间通过交界面传递数据
FLUENT中反应流模型
流动结构
Premixed
NonPremixed
Partially Premixed
Eddy Dissipation Model (Species Transport) Premixed Combustion Model
Reaction Progress Variable*
化学反应
– 液滴流 – 连续气体中的离散液滴， 如喷雾器、燃烧器 – 柱塞流 – 连续液体中的大尺度气泡 – 分层 / 自由表面流– 不相溶的流体被 清晰的界面分开，如自由表面流 – 颗粒流 – 连续气体中的离散固体颗
Slug Flow
Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow
Initial particle Diameter: 2 mm
Contours of Evaporated Water Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
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Temperature in a Gas Furnace
CO2 Mass Fraction
Stream Function
背景知识
模拟燃烧中的化学反应
– 快速化学反应
• 全局化学反应机理（有限速率/涡耗散） • 平衡/小火焰模型（混合分数）
Fuel Reactor Oxidizer Outlet
– 有限速率反应
Animation of Gas Volume Fraction Contours
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Water Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec.
VOF 案例 – 汽车油箱晃动
模拟不同加速条件 下，液体在汽车油箱 中的自由液面晃动 模拟显示油箱底部的 挡板可以保持入油口 浸没在油中，如果没 有挡板时，入油口在 某些时间会露出油面
NOx 形成模型（预测定性的 NOx 形成趋势） – FLUENT 包括三种 NOx 产生机理
• Thermal NOx • Prompt NOx • Fuel NOx
– NOx 还原模型 – 选择性非催化还原模型 (SNCR) l
• 喷入氨水或尿素
烟灰形成模型 – Moos-Brookes 模型 – 一步模型，两步模型 – 烟灰对辐射吸收的影响 SOx 形成模型 – 求解SO2, H2S, 或者SO3 方程 – 一般 SOx 预测都作为后处理过程来进行
动网格简介
许多问题需要考虑平移或旋转的部件 对移动域，有两种基本的模型方法:
– 运动的参考坐标系
• 参考坐标系和运动域联系在一起 • 修正控制方程来考虑运动坐标系
– 运动/变形域
• 域的位置和形状在静止坐标系下跟踪 • 求解本质上是瞬态的
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Fuel Tank Without Baffles
t = 1.05 sec
t = 2.05 sec
Fuel Tank With Baffles
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化学反应流
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化学反应流的应用
选择合适的模型非常重要
– 取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个 区别 – Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例）也应该考 虑进来
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DPM 例子-喷雾干燥
喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中，用DPM模拟 流动、传热、传质过程
运动域的CFD模型方法
单参考坐标系 (SRF)
多参考坐标系 (MRF)
混合平面法 (MPM)
滑移网格 (SMM)
运动 / 变形网 格 (MDM)
运动坐标系
运动域
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单参考坐标系模型 (SRF)
SRF 把单一的运动域和一个坐标系 连接起来 – 所有的流体域在运动坐标系下定义 – 旋转坐标系引入了附件加速度 为什么要使用运动坐标系? – 在静止坐标系下流场是瞬态的，使 用旋转坐标系后流场可以看做稳态 的 – 优势
流动结构
– 非预混反应系统
• 可简化为混合系统
Fuel + Oxidizer
Reactor
Outlet
Secondary Fuel or Oxidizer
– 预混反应系统
• 冷态反应物传播到热的生成物中.
Fuel + Oxidizer
Reactor
Outlet
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DPM模型
描述 – 颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解 – 颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换 – 每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为 – 单个颗粒的互相影响被忽略 – 离散相体积分数必须小于10 多个子模型 – 离散相的加热/冷却 – 液滴的蒸发和沸腾 – 可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧 – 喷雾模型模拟液滴破碎和聚合 – 磨损/增长 应用范围 – 颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃 烧.
Finite-Rate Chemistry
Laminar Finite-Rate Model Eddy-Dissipation Concept (EDC) Model Composition PDF Transport Model
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污染物模型
1.1 mm
0.2 mm
欧拉模型的例子 – 三维气泡床
z = 20 cm
z = 15 cm
z = 10 cm
z = 5 cm
Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175
Liquid Velocity Vectors
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表面反应
对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组 分不同的另外一种组分 对每个吸收表面组分求解地点平衡方程
– 可以考虑详细表面反应机理（任意的多步反应，任意数量的气相 组分/沉积组分） – CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT. – 表面反应可以在壁面或多孔介质中发生 – 可以在不同的表面定义不同的表面反应机理
FLUENT 包含了从计算均相反应到非均相反应的多个反应模型 – 炉子 – 锅炉 – 热处理炉 – 燃气轮机 – 火箭发动机 – 内燃机 – CVD, 催化反应 反应流一般预测 – 流动和混合 – 温度 – 组分浓度 – 颗粒和污染
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Fast Chemistry
Non-Premixed Equilibrium Model
Mixture Fraction
Partially Premixed Model
Reaction Progress Variable + Mixture Fraction
Laminar Flamelet Model
– 其中一种流体是连续的（主流体） – 其他相是离散的，存在于连续相中 – 可以有多种次流体相，代表不同尺寸的颗粒
Secondary phase(s)
Primary Phase
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多相流体系
– 气泡流 – 连续液体中存在离散的气 泡，如气体吸收器，蒸发设备，鼓 泡设备
应用案例
– 催化反应 – CVD（化学沉积）
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总结
对反应流动，有四个基础的教程
– 组分传输和气相燃烧 – 非预混燃烧 – 表面化学反应 – 液滴挥发
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动网格
A Pera Global Company © PERA China
欧拉模型中的粒状选项
当存在高浓度的固体颗粒时，会导致颗粒 间高频率的碰撞，此时应选Granular 假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞 行为，对颗粒相使用分子云理论
Gravity
应用这个理论后，连续相和颗粒相的动量 方程都增加了附加应力 – 这些应力 (颗粒 “粘性”, “压力” 等.) 由颗粒 速度脉动强度确定 – 伴随颗粒速度脉动的动能由拟热“pseudothermal” 或颗粒温度代表 – 不考虑颗粒的弹性变形
Gas / Sand Gas
Contours of Solids Volume Fraction for High Velocity Gas/Sand Production
A Pera Global Company © PERA China
混合模型案例 – 气体鼓泡
用混合模型模拟氮气 喷入混合器中的流 动，用MRF方法模拟 旋转叶片的效应 FLUENT 很好的模拟了 气体的停顿和搅动过 程。
Stratified / FreePneumatic Transport, Surface Flow Hydrotransport, or Slurry Flow
ห้องสมุดไป่ตู้
气 /固
粒，如旋风分离器，空气净化器， 吸尘器 – 流化床 – 流化床反应器 – 泥浆流 – 液体中的固体颗粒，固体 悬浮、沉积、液力输运
ANSYS FLUENT 培训教材 第八节：物理模型
安世亚太科技（北京）有限公司
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概要
多相流模型 – Discrete phase model – Eulerian model – Mixture model – Volume-of-fluid model 化学反应模型 – Eddy dissipation model – Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models – Detailed chemistry models – Pollutant formation – Surface reactions 动网格 – Single and multiple reference frames – Mixing planes – Sliding meshes – Dynamic meshes – Six-degree-of-freedom solver
Sedimentation Fluidized Bed
液 /固
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FLUENT中的多相流模型
FLUENT 包括四种不同的多相流模型:
– Discrete Phase Model (DPM) – Volume of Fluid Model (VOF) – Eulerian Model – Mixture Model
A Pera Global Company © PERA China
多相流模型
A Pera Global Company © PERA China
简介
相具有可定义的边界，对周围流场有特定的动力响应 相一般分为固体、液体和气体，但也指其他形式：有不同化学属 性的材料，但属于同一种物理相（如液-液） 多相流体系统分为一种主流体相和多种次流体相
• • • • 用稳态方法求解* 边界条件更简单 调试更快捷 更容易的后处理的分析
Centrifugal Compressor (single blade passage)
*注意: 在旋转坐标系下有时依然有瞬态现 象，如湍流、周期非平衡、分离、涡脱落 等
A Pera Global Company © PERA China
多参考坐标系模型 (MRF)
包括有静止域和运动域的多域问题， 此时，单参考坐标系不适合 这类系统可以这样处理：把域分割为 多个域：一些域旋转，一些域静止 域之间通过交界面传递数据
FLUENT中反应流模型
流动结构
Premixed
NonPremixed
Partially Premixed
Eddy Dissipation Model (Species Transport) Premixed Combustion Model
Reaction Progress Variable*
化学反应