第20章 通用多相流模型--60页 多相流数据后处理
多相流课件
煤燃烧国家重点实验室 SKLCC
单质或纯物质的相图
煤燃烧国家重点实验室 SKLCC
§1－2 多相流的定义和分类
定义： 必须同时考虑物质多相共存且具有明显相 界面的混合物流动力学 的 特殊流动问题称为 多相流。 在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状
态，而且按化学组成、尺寸和形状等划分。
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2、气固两相流
气体和固体颗粒混合在一起共同流动。 固体颗粒本身无流动性; 当流体流速足够大, 流体中所含的固体小颗粒 具有类似流体特性； 在某些条件下，可将颗粒相作为流体考虑，在 另一些条件下，必须考虑颗粒相本身的特点。
例：空气中夹带灰粒与尘土，沙漠风沙，飞雪，冰雹， 气力输送，气流干燥，煤粉燃烧，石油催裂化，矿物 的流化床焙烧，气力浮选等
1、气液两相流
气体和液体 物质 混合在一起共同流动。 单工质汽液两相流 ，如水－水蒸汽 汽、液两相均具有相同的化学成份； 在压力和温度发生变化时会发生相变。 双组分工质气液两相流, 如空气－水 两相具有不同的化学成份。
例：蒸发器、冷凝器、反应器、气液混合器、气液分离器 等。
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5、气液液、气液固和液液固多相流
气体、液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气液固三 相流； 气体与两种不能均匀混合、互不相溶的液体混合物在一起 的流动称为气液液三相流； 两种不能均匀混合、互不相溶的液体与固体颗粒混合在一 起的共同流动称为液液固三相流。 例： 油田油井及井口内的原油-水-气-沙粒的三种以上相 态物质的混合物流动，烟气洗涤塔等
空气中夹带灰粒与尘土沙漠风沙飞雪冰雹气力输送气流干燥煤粉燃烧石油催裂化矿物的流化床焙烧气力浮选等煤燃烧国家重点实验室sklcc油田开采与地面集输分离排污中的油水两相流化工过程中的乳浊液流动物质提纯和萃取过程中的液液混合流等煤燃烧国家重点实验室sklcc气体与两种不能均匀混合互不相溶的液体混合物在一起的流动称为气液液三相流
多相流领域的数值计算方法及应用
多相流领域的数值计算方法及应用随着工业化和科技的不断进步，多相流领域的研究和应用越来越受到重视。
物料在流动过程中会与其他物料或界面发生相互作用，这种复杂的流动状况被称为多相流。
多相流涉及到固体、液体和气体等不同物态的介质，因此其研究和应用需要使用复杂的数值计算方法。
一、多相流的特点多相流的研究和应用过程中涉及到很多行业，比如化工、能源、航空航天等领域。
多相流介质的物理性质不同，具有以下几个特点：1. 相互作用强烈不同相态的物料之间会发生相互作用，例如固体微粒在液体中的漂浮、液滴在气体中的破裂等。
2. 物料运动混乱多相流介质的物料运动速度和方向较难预测，因此多相流的运动模式通常非常复杂。
3. 传递规律复杂多相流介质中不同物料的传递规律复杂，例如液滴的运动、未熔化固体在熔体中的运动等。
4. 可能存在相变多相流介质因为具有不同物态的物料，因此可能存在相变现象，例如气体在液体中的溶解等。
二、多相流的数值计算方法多相流的复杂性使得其研究和应用需要结合各种学科，比如计算流体力学（CFD）、材料科学、传热学等。
在多相流的计算过程中，有两个重要的假设：连续介质假设和相间界面模型。
1. 连续介质假设连续介质假设认为多相流介质可以像单相流一样，被视为连续的流体。
在这种假设下，物理量如质量、动量、能量等可以通过微分方程来描述，以求解其全场的运动学性质。
2. 相间界面模型多相流中不同相态物质的相互作用，使得相界面的存在成为一大难点。
通过相间界面模型对相变的过程和相界面的运动进行数值模拟，从而模拟多相流介质中不同物理量的分布和传递规律。
目前，常见的多相流计算方法包括欧拉方法、拉格朗日方法和欧拉-拉格朗日复合方法。
3. 欧拉方法欧拉方法模拟多相流介质中的物理量在时间和空间上的分布规律。
该方法将不同相态之间的相互作用描述为源项，通过物理量的守恒方程，来求解多相流介质内各物理量的分布规律。
4. 拉格朗日方法拉格朗日方法着重于对多相流介质中物体的运动轨迹进行跟踪和计算。
多相流动理论模型和数值方法-多相流在线课件
收敛。
•在经过Gosman等[143]和Berlemont等[144]改进以 后，得到了广泛的应用。 •Sommerfeld[145]和Shuen[146]等采用此模型进行 数值求解，得到了比较满意的结果。 •浙江大学热能工程研究所的岑可法院士和樊建人 教授[147]提出的随机频谱颗粒轨道(FSRT)模型，
颗粒确定轨道模型
•处理颗粒群的方法较简单，能够考虑相间速度 与温度的滑移， •并可以追踪比较复杂的颗粒经历， •数值计算不会产生伪扩散。 •但其存在一个缺点，就是对颗粒的湍流扩散缺 乏较好的处理。
29 多相流体动力学
颗粒随机轨道模型。
•考虑到湍流脉动对颗粒轨迹造成的影响，
•Yuu等[142]首先提出了涡作用模型。
拟流体模型小结
• 无滑移模型：颗粒相的宏观运动而引起的质量迁 移是由流体运动引起的；
• 小滑移模型：混合物运动引起的 • 滑移-扩散模型：颗粒相自身的宏观运动引起了
质量迁移
11 多相流体动力学
拟流体模型数值方法
12 多相流体动力学
湍流流场数值模拟方法简介
传统模 式理论
大涡模拟
格子气
常用数值 模拟方法
FLT模型
SSG模型
14 多相流体动力学
湍流模式理论局限性
▪ 对经验数据的依赖性;
▪ 将脉动运动的全部细节一律抹平从 而丢失大量重要信息;
▪ 目前各种模型，都只能适用于解决 一种或者几种特定的湍流运动。
15 多相流体动力学
•湍流直接模拟(DNS)简介
计不算用机任发何展湍流模型，直接b出G数车现习值大L型I求ob并z解行(J完计0J2算整)级机 的三维非定常的N-S方程组;
Fluent多相流模型选择
FLUENT多相流模型分类1、气液或液液流动气泡流动：连续流体中存在离散的气泡或液泡液滴流动：连续相为气相，其它相为液滴栓塞（泡状）流动：在连续流体中存在尺寸较大的气泡分层自由流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。
2、气固两相流动粒子负载流动：连续气体流动中有离散的固体粒子气力输运：流动模式依赖，如固体载荷、雷诺数和例子属性等。
最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床以及各相同性流流化床：有一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器进入筒内，从床底不断冲入的气体使得颗粒得以悬浮。
3、液固两相流动泥浆流：流体中的大量颗粒流动。
颗粒的stokes数通常小于1。
大于1是成为流化了的液固流动。
水力运输：在连续流体中密布着固体颗粒沉降运动：在有一定高度的盛有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质，随后，流体会出现分层。
4、三相流以上各种情况的组合多相流动系统的实例气泡流：抽吸、通风、空气泵、气穴、蒸发、浮选、洗刷。
液滴流：抽吸、喷雾、燃烧室、低温泵、干燥机、蒸发、气冷、洗刷。
栓塞流：管道或容器中有大尺度气泡的流动分层流：分离器中的晃动、核反应装置沸腾和冷凝粒子负载流：旋风分离器、空气分类器、洗尘器、环境尘埃流动气力输运：水泥、谷粒和金属粉末的输运流化床：流化床反应器、循环流化床泥浆流：泥浆输运、矿物处理水力输运：矿物处理、生物医学、物理化学中的流体系统沉降流动：矿物处理。
多相流模型的选择原则1、基本原则1)对于体积分数小于10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用离散相模型。
2)对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超出10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用混合模型或欧拉模型。
3)对于栓塞流、泡状流，采用VOF模型4)对于分层/自由面流动，采用VOF模型5)对于气动输运，均匀流动采用混合模型，粒子流采用欧拉模型。
6)对于流化床，采用欧拉模型7)泥浆和水力输运，采用混合模型或欧拉模型。
8)沉降采用欧拉模型9)对于更一般的，同时包含多种多相流模式的情况，应根据最感兴趣的流动特种，选择合适的流动模型。
多相流模型经验谈
多相流模型经验谈多相流的介绍：Currently there are two approaches for the numerical calculation of multiphase flows: the Euler-Lagrange approach and theEuler-Euler approach.The Euler-Lagrange Approach:The Lagrangian discrete phase model in FLUENT follows the Euler-Lagrange approach, this approachis inappropriate for the modeling of liquid-liquid mixtures, fluidized beds, or any application where the volume fractionof the second phase is not negligible.The Euler-Euler Approach: In FLUENT, three different Euler-Euler multiphase models are available: the volume of fluid (VOF)model, the mixture model, and the Eulerian model.1)The VOF Model: it is designed for two or more immiscible fluids where the position of the interface between the fluids isof interest. Applications of the VOF model include stratified flows, free-surface flows, filling, sloshing, the motion oflarge bubbles in a liquid, the motion of liquid after a dam break, the prediction of jet breakup (surface tension), and thesteady or transient tracking of any liquid-gas interface.2) Mixture model:Applications of the mixture model include particle-laden flows with low loading, bubbly flows, sedimentation,and cyclone separators. The mixture model can also be used without relative velocities for the dispersed phases to modelhomogeneous multiphase flow.3)Applications of the Eulerian multiphase model include bubble columns, risers, particle suspension, and fluidized beds.离散相模型（离散相的装载率10～12%）求解参数的设定：Options for Interaction with Continuous Phase：For steady-state simulations, increasing the Number of Continuous PhaseIterations per DPM Iteration will increase stability but require more iterations to converge.Update DPM Sources Every Flow Iteration is recommended when doing unsteady simulations; at every DPM Iteration, the particlesource terms are recalculated.Length Scale: controls the integration time step size used to integrate the equations of motion for the particle.A smallervalue for the Length Scale increases the accuracy of the trajectory and heat/mass transfer calculations for the discretephase.Length Scale factor: A larger value for the Step Length Factor decreases the discrete phase integration time step.颗粒积分方法：numerics叶中tracking scheme选项1）implicit uses an implicit Euler integration of Equation 23.2-1 which is unconditionally stable for all particle relaxationtimes.2）trapezoidal uses a semi-implicit trapezoidal integration.（梯形积分）3）analytic uses an analytical integration of Equation 23.2-1 where the forces are held constant during the integration.4）runge-kutta facilitates a 5th order Runge Kutta scheme derived by Cash and Karp [47].You can either choose a single tracking scheme, or switch between higher order and lower order tracking schemes using anautomated selection based on the accuracy to be achieved and the stability range of each scheme.Max. Refinements is the maximum number of step size refinements in one single integration step. If this number is exceededthe integration will be conducted with the last refined integration step size.Automated Tracking Scheme Selection provides a mechanism to switch in an automated fashion between numerically stable lowerorder schemes and higher order schemes, which are stable only in a limited range. In situations where the particle is farfrom hydrodynamic equilibrium, an accurate solution can be achieved very quickly with a higher order scheme, since theseschemes need less step refinements for a certain tolerance. When the particle reaches hydrodynamic equilibrium, the higherorder schemes become inefficient since their step length is limited to a stable range. In this case, the mechanism switchesto a stable lower order scheme and facilitates larger integration steps.Including a Coupled Heat-Mass Solution on the Particles：This increased accuracy, however, comes at the expense of increasedcomputational expense.非稳态跟踪1）连续相稳态离散相非稳态：you simply enter the Particle Time Step Size and the Number of Time Steps, thus tracking particlesevery time a DPM iteration is conducted. When you increase the Number of Time Steps, the droplets penetrate the domain faster.2）连续离散相都为非稳态：When solving unsteady equations for the continuous phase, you must decide whether you want to UseFluid Flow Time Step to inject the particles, or whether you prefer a Particle Time Step Size independent of the fluid flowtime step. With the latter option, you can use the Discrete Phase Model in combination with changes in the time step forthe continuous equations, as it is done when using adaptive flow time stepping.随机轨道模型的参数：number of tries:An input of zero tells FLUENT to compute the particle trajectory based on the mean continuous phase velocityfield (Equation 23.2-1), ignoring the effects of turbulence on the particle trajectories. An input of 1 or greater tellsFLUENT to include turbulent velocity fluctuations in the particle force balance as in Equation 23.2-20.If you want the characteristic lifetime of the eddy to be random (Equation 23.2-32), enable the Random Eddy Lifetime option.You will generally not need to change the Time Scale Constant (CL in Equation 23.2-23) from its default value of 0.15,unless you are using the Reynolds Stress turbulence model (RSM), in which case a value of 0.3 is recommended.液滴颗粒碰撞与破碎碰撞：破碎：有两种模型，TAB 模型适合低韦伯数射流雾化以及低速射流进入标态空气中的情况。
Fluent多相流模型选择与设定
1.多相流动模式我们可以根据下面的原则对多相流分成四类：•气-液或者液-液两相流：o 气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。
o 液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。
o 活塞流动: 在连续流体中的大的气泡o 分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。
•气-固两相流：o 充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。
o 气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因素。
最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。
o 流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入筒内。
从床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。
改变气体的流量，就会有气泡不断的出现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。
•液-固两相流o 泥浆流：流体中的颗粒输运。
液-固两相流的基本特征不同于液体中固体颗粒的流动。
在泥浆流中，Stokes 数通常小于1。
当Stokes数大于1 时，流动成为流化（fluidization）了的液-固流动。
o 水力运输: 在连续流体中密布着固体颗粒o 沉降运动: 在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质。
随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不断沉降并堆积形成了淤积层，在顶部出现了澄清层，里面没有颗粒物质，在中间则是沉降层，那里的粒子仍然在沉降。
在澄清层和沉降层中间，是一个清晰可辨的交界面。
•三相流 (上面各种情况的组合)各流动模式对应的例子如下：•气泡流例子：抽吸，通风，空气泵，气穴，蒸发，浮选，洗刷•液滴流例子：抽吸，喷雾，燃烧室，低温泵，干燥机，蒸发，气冷，刷洗•活塞流例子：管道或容器内有大尺度气泡的流动•分层自由面流动例子：分离器中的晃动，核反应装置中的沸腾和冷凝•粒子负载流动例子：旋风分离器，空气分类器，洗尘器，环境尘埃流动•风力输运例子：水泥、谷粒和金属粉末的输运•流化床例子：流化床反应器，循环流化床•泥浆流例子: 泥浆输运，矿物处理•水力输运例子：矿物处理，生物医学及物理化学中的流体系统•沉降例子：矿物处理2. 多相流模型FLUENT中描述两相流的两种方法:欧拉一欧拉法和欧拉一拉格朗日法，后面分别简称欧拉法和拉格朗日法。
多相流动的基本理论
颗粒随机轨道模型。
•考虑到湍流脉动对颗粒轨迹造成的影响，
•Yuu等[142]首先提出了涡作用模型。 •在经过Gosman等[143]和Berlemont等[144]改进以 后，得到了广泛的应用。 •Sommerfeld[145]和Shuen[146]等采用此模型进行 数值求解，得到了比较满意的结果。 •浙江大学热能工程研究所的岑可法院士和樊建人 教授[147]提出的随机频谱颗粒轨道（FSRT）模型，
•前提：
•在流体中弥散的颗粒相也是一种连续的流体； •气相和颗粒相是两种相互渗透的连续相，各 自满足连续性方程、动量方程和能量守恒方 程。
多相流体动力学
无滑移模型（No-slip Model)
•基本假设：
• 颗粒群看作连续介质，颗粒群只有尺寸差别，不 同尺寸代表不同相；
• 颗粒与流体相间无相对速度； • 各颗粒相的湍流扩散系数取流体相扩散系数相等； • 相间相互作用等同于流体混合物间各成分相互作
多相流体动力学
主要内容（气固多相流）
长期以来，气固两相流动的研究中按照对颗粒的处理方 式不同，主要有两大类模型
离散介质模型 连续介质模型
单颗粒动力学模型（SPD模型）
颗粒轨道模型（PT模型）
确定轨道模型 随机轨道模型
小滑移模型（SS模型）
无滑移模型（NS模型）
拟流体（多流体）模型（MF模型）
多相流体动力学
s
s
d
s
g
0
(1
e)(
T
)
1 2
固相的体积粘度
s
4 3
s
s
d
s
g0 (1
多相流模型——精选推荐
(5.381)
式中， τd
ρd dd2 为颗粒响应时间（也称为松弛时间或弛相速度为常数以及Stokes阻力条件下，颗粒相对于连 续相的速度按指数规律衰减，经过时间τd后衰减为初始值的e−1；τs为系统响应时间，为 系统特征长度Ls与特征速度Vs之比，即 τs
β αd ρd αc ρc
(5.378)
分散相与连续相物质密度比：
γ ρd ρc
(5.379)
式中， αd和αc分别为分散相和连续相的体积分数， ρd和ρc分别为分散相和连续相的物质密 度。
115
沈阳航空工业学院
由颗粒含量率β和物质密度比γ可估算分散相颗粒之间的平均距离：[41]
L π 1 κ dd 6 κ
弹状流
气泡流、含液滴气流、带粉气流
气力输送、液力输送、泥浆流
分层流、有自由表面流
沉降
流化床
图5.13 多相流流型
根据所依赖的数学方法和物理原理不同，多相流的理论模型分为三大类：(1)经典的 连续介质力学方法；(2)建立在统计分子动力学基础上的分子动力学模拟方法；(3)介观层 次上的模拟方法，即格子 - Boltzmann 方法。目前多在工程中应用的多相流连续介质力学
(2) 体积分数方程
a. 体积分数方程 通过求解一相或多相体积分数的连续性方程，可以追踪各相之间的界面。第 q 相体 积分数的连续性方程为
Fluent中的多相模型及求解解析
2. Fluent中的多相流动模型
• 欧拉-拉格朗日方法——流体被处理为连续相，直接求解时 均Navier-Stokes方程；计算流场中大量的粒子，气泡或液 滴的运动轨迹，得到离散相的分布规律。离散相和流体相之 间可以有动量、质量和能量的交换。基本假设：作为离散的 第二相的体积比率很低。
• 欧拉-欧拉方法——不同的相被处理成互相贯穿的连续介质 。引入相体积率的概念，各相的体积率之和等于1。不同的 相均满足守恒方程。从实验数据建立一些关系式，使方程组 封闭。在Fluent中，有三种欧拉-欧拉多相流模型：流体体 积模型（VOF），混合物模型，欧拉模型。
4. 压力梯度力，由流场中压力梯度引起的作用力，与惯性 力相比，数量级很小，可忽略不计。
5. 虚假质量力——附加质量（Added Mass），特例：圆球 的附加质量力是惯性力的一半。
——划分的目的：得到颗粒在流场中受到的合力。
18
6. Basset力，发生在粘性流体中，与运动的不稳定性有关
7. Magnus升力，由于颗粒旋转产生， L u Γ
Fluent中的多相模型及求解
《多相流体力学》
1
参考书目
1. 多相流及其应用，车得福 李会雄 编著，西安交通大学出 版社，2007年11月。 2. 液-固两相流基础，岳湘安 著，石油工业出版社，1996年 4月。 3. Fluent培训材料，Fluent 6.1 User’s Guide，Fluent Inc.， 2003 4. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用，王福军 编著，清华大学出版社，2004年9月。
《多相流及其应用》，车得福 李会雄
21
颗粒的尾流
一个颗粒的尾流范围往往比它本身体积大2~3个量级。因此 ，即使颗粒浓度很低，也存在显著的相互作用——通过流体 的间接作用，对颗粒的阻力造成显著影响。
多相流
气蚀
CFX
采用均相流模型 可以考虑气相的压缩性 用户可以指定气蚀率 对体积分数采用高阶对流格式有利于收敛 先求解非气蚀结果， 先求解非气蚀结果，以次为初场计算气蚀问题 用户控制的参数 饱和压力 最大密度比，缺省值1000在通常情况下都适用 最大密度比，缺省值 在通常情况下都适用
CFX-5.7Training, 2004
CFX-5.7Training, 2004
Slide serial no 3
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连续－离散相 连续－
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一相以连续形式存在，一相以离散形式存在 如颗粒 如颗粒、 一相以连续形式存在，一相以离散形式存在,如颗粒、气泡 、液滴等。 液滴等。 例如： 例如： 空气＋ 液滴流） 雨：空气＋水（液滴流） 啤酒：液体＋气泡（气泡流） 啤酒：液体＋气泡（气泡流） 含有尘土的空气：（颗粒流） ：（颗粒流 含有尘土的空气：（颗粒流） 不相溶的两种流体： 不相溶的两种流体：如水中的油滴 可以模拟很高密度比的流体。（连续相密度/离散相密度 。（连续相密度 离散相密度＝ 可以模拟很高密度比的流体。（连续相密度 离散相密度＝ 1000，或连续相密度/离散相密度＝0.001。 ，或连续相密度 离散相密度＝ 。 离散相密度 可以模拟很大的滑移速度。 可以模拟很大的滑移速度。 常见的例子包括气泡流和流化床
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IPMT: Boiling in a Heated Vertical Pipe
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Slide serial no 17
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20.通用多相流模型(GeneralMultiphaseModels)
20.通用多相流模型（General Multiphase Models）本章讨论了在FLUENT中可用的通用的多相流模型。
第18章提供了多相流模型的简要介绍。
第19章讨论了Lagrangian离散相模型，第21章讲述了FLUENT中的凝固和熔化模型。
20.1选择通用多相流模型（Choosing a General Multiphase Model）20.2VOF模型(Volume of Fluid(VOF)Model)20.3混合模型(Mixture Model)20.4欧拉模型(Eulerian Model)20.5气穴影响(Cavity Effects)20.6设置通用多相流问题(Setting Up a General Multiphase Problem)20.7通用多相流问题求解策略(Solution Strategies for General Multiphase Problems)20.8通用多相流问题后处理(Postprocessing for General Multiphase Problems)20.1选择通用的多相流模型（Choosing a General Multiphase Model）正如在Section 18.4中讨论过的，VOF模型适合于分层的或自由表面流，而mixture和Eulerian 模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的volume fraction超过10%的情形。
（流动中分散相的volume fraction小于或等于10%时可使用第19章讨论过的离散相模型）。
为了在mixture模型和Eulerian模型之间作出选择，除了Section18.4中详细的指导外，你还应考虑以下几点：★如果分散相有着宽广的分布，mixture模型是最可取的。
如果分散相只集中在区域的一部分，你应当使用Eulerian模型。
★如果应用于你的系统的相间曳力规律是可利用的（either within FLUENT or through a user-defined function），Eulerian模型通常比mixture模型能给出更精确的结果。
24_多相流的数值模拟课件
18
小滑移模型 较均相模型有以下改进：
➢按尺寸分组的各弥散颗粒相的速度不再等于当地的流体相速度， 各弥散相之间的速度也不再相等； ➢弥散颗粒相的运动由流体的运动引起，颗粒相的滑移则由颗粒相 相对于多相流整体的湍流扩散所致；湍流脉动的相互作用是造成颗 粒相与连续流体相之间相对运动的基本因素；弥散颗粒相与连续流 体相之间的滑移是颗粒相在连续流体中湍流扩散的表现。 ➢各相之间存在阻力作用，在动量方程中增加阻力项。
➢ 缺点
• 描述两相流的变量几乎增加一倍 • 描述两相流的基本方程组比单相流要复杂的多 • 需要确定相之间的相互作用 • 相分布的描述困难 • 两相流守恒方程的求解困难 • 气-液相界面的数学描述困难 • 气-液相界面上表面张力的计算困难
4
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• 多相流数值模拟中的常用特殊参数
相分布参数
➢ 浓度 浓度表示固体相的质量在局部计算区域中所占据的质量(或
19
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颗粒拟流体模型（多流体模型）
特点：将弥散颗粒相与连续流体相均看作是连续介质，对颗粒相的 处理方法与对连续介质相的处理方法类似，认为颗粒相是欧拉坐标 系中与连续相流体相互渗透的一种“假想”流体。
较之小滑移模型：考虑速度和温度滑移的同时，认为滑移与颗粒相 的扩散是两种不同的作用，而且颗粒相的扩散是独立于流体相扩散 之外的另一种运动特性。引入了颗粒相粘相、扩散和导热系数这些 与连续流体类似的物理性质。
颗粒运动的阻力
Basset力
Saffman力
附加质量力
压力剃度力
Magnus力
简化后的单颗粒运动方程：
适用：流场中一相须是弥散于连续介质中的独立的颗粒、气泡或液滴。 适用模型：处理稀疏的气-固两相流或弥散的气-液，液-液两相流问题。
多相流模型
多相流的介绍：Currently there are two approaches for the numerical calculation of multiphase flows: the Euler-Lagrange approach and theEuler-Euler approach.The Euler-Lagrange Approach:The Lagrangian discrete phase model in FLUENT follows the Euler-Lagrange approach, this approachis inappropriate for the modeling of liquid-liquid mixtures, fluidized beds, or any application where the volume fractionof the second phase is not negligible.The Euler-Euler Approach: In FLUENT, three different Euler-Euler multiphase models are available: the volume of fluid (VOF)model, the mixture model, and the Eulerian model.1)The VOF Model: it is designed for two or more immiscible fluids where the position of the interface between the fluids isof interest. Applications of the VOF model include stratified flows, free-surface flows, filling, sloshing, the motion oflarge bubbles in a liquid, the motion of liquid after a dam break, the prediction of jet breakup (surface tension), and thesteady or transient tracking of any liquid-gas interface.2) Mixture model:Applications of the mixture model include particle-laden flows with low loading, bubbly flows, sedimentation,and cyclone separators. The mixture model can also be used without relative velocities for the dispersed phases to modelhomogeneous multiphase flow.3)Applications of the Eulerian multiphase model include bubble columns, risers, particle suspension, and fluidized beds.离散相模型（离散相的装载率10～12%）求解参数的设定：Options for Interaction with Continuous Phase：For steady-state simulations, increasing the Number of Continuous PhaseIterations per DPM Iteration will increase stability but require more iterations to converge.Update DPM Sources Every Flow Iteration is recommended when doing unsteady simulations; at every DPM Iteration, the particlesource terms are recalculated.Length Scale: controls the integration time step size used to integrate the equations of motion for the particle.A smallervalue for the Length Scale increases the accuracy of the trajectory and heat/mass transfer calculations for the discretephase.Length Scale factor: A larger value for the Step Length Factor decreases the discrete phase integration time step.颗粒积分方法：numerics叶中tracking scheme选项1）implicit uses an implicit Euler integration of Equation 23.2-1 which is unconditionally stable for all particle relaxationtimes.2）trapezoidal uses a semi-implicit trapezoidal integration.（梯形积分）3）analytic uses an analytical integration of Equation 23.2-1 where the forces are held constant during the integration.4）runge-kutta facilitates a 5th order Runge Kutta scheme derived by Cash and Karp [47].You can either choose a single tracking scheme, or switch between higher order and lower order tracking schemes using anautomated selection based on the accuracy to be achieved and the stability range of each scheme.Max. Refinements is the maximum number of step size refinements in one single integration step. If this number is exceededthe integration will be conducted with the last refined integration step size.Automated Tracking Scheme Selection provides a mechanism to switch in an automated fashion between numerically stable lowerorder schemes and higher order schemes, which are stable only in a limited range. In situations where the particle is farfrom hydrodynamic equilibrium, an accurate solution can be achieved very quickly with a higher order scheme, since theseschemes need less step refinements for a certain tolerance. When the particle reaches hydrodynamic equilibrium, the higherorder schemes become inefficient since their step length is limited to a stable range. In this case, the mechanism switchesto a stable lower order scheme and facilitates larger integration steps.Including a Coupled Heat-Mass Solution on the Particles：This increased accuracy, however, comes at the expense of increasedcomputational expense.非稳态跟踪1）连续相稳态离散相非稳态：you simply enter the Particle Time Step Size and the Number of Time Steps, thus tracking particlesevery time a DPM iteration is conducted. When you increase the Number of Time Steps, the droplets penetrate the domain faster.2）连续离散相都为非稳态：When solving unsteady equations for the continuous phase, you must decide whether you want to UseFluid Flow Time Step to inject the particles, or whether you prefer a Particle Time Step Size independent of the fluid flowtime step. With the latter option, you can use the Discrete Phase Model in combination with changes in the time step forthe continuous equations, as it is done when using adaptive flow time stepping.随机轨道模型的参数：number of tries:An input of zero tells FLUENT to compute the particle trajectory based on the mean continuous phase velocityfield (Equation 23.2-1), ignoring the effects of turbulence on the particle trajectories. An input of 1 or greater tellsFLUENT to include turbulent velocity fluctuations in the particle force balance as in Equation 23.2-20.If you want the characteristic lifetime of the eddy to be random (Equation 23.2-32), enable the Random Eddy Lifetime option.You will generally not need to change the Time Scale Constant (CL in Equation 23.2-23) from its default value of 0.15,unless you are using the Reynolds Stress turbulence model (RSM), in which case a value of 0.3 is recommended.液滴颗粒碰撞与破碎碰撞：破碎：有两种模型，TAB 模型适合低韦伯数射流雾化以及低速射流进入标态空气中的情况。
5.4多相流模型5.5分散相模型2
沈阳航空工业学院
则有下列 3 中可能：
αq = 0：单元中没有第q相流体。 αq = 1：单元中充满第q相流体。 0 < αq < 1：单元中有第q相流体与其它一相或多相流体间的界面。
根据局部αq值，计算域内每一控制容积被赋予适当的物性和变量值。
VOF 模型一般用于瞬态问题。只有在求解不依赖于初始条件，且对每一相有独立的
的每一相，引入一个称为单元相体积分数的变量。在每个控制容积中，所有相的体积分 数之和为 1。只要在计算域内每一点的各相的体积分数已知，全部变量和物性的场都由 各相共享并代表了体积平均值。因而，根据体积分数的值，任意单元内的变量和物性或 者为一相的代表，或者为多相混合物的代表。即，如果单元中第q相流体体积分数为αq，
其中，
n 1 n 1 Sp Ap Anb
(5.384)
3 α p ρpVol 2t
n
n 1
n 1 S SU
4 α p ρppVol α p ρppVol 2t
n 1
该格式是无条件稳定的， 但如果时间步长太大， 三层时层方法的 n – 1 时层的负系数 会产生解的振荡。这个问题可以通过引入有界二阶格式解决。由于解的振荡主要出现在 可压缩液体流动中，因此仅对可压缩液体流动使用有界二阶格式。
弹状流
气泡流、含液滴气流、带粉气流
气力输送、液力输送、泥浆流
分层流、有自由表面流
沉降
流化床
图5.13 多相流流型
根据所依赖的数学方法和物理原理不同，多相流的理论模型分为三大类：(1)经典的 连续介质力学方法；(2)建立在统计分子动力学基础上的分子动力学模拟方法；(3)介观层 次上的模拟方法，即格子 - Boltzmann 方法。目前多在工程中应用的多相流连续介质力学
第20章 通用多相流模型--60页 多相流数据后处理
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载第20章通用多相流模型--60页多相流数据后处理地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容20.通用多相流模型（General MultiphaseModels）本章讨论了在FLUENT中可用的通用的多相流模型。
第18章提供了多相流模型的简要介绍。
第19章讨论了Lagrangian离散相模型，第21章讲述了FLUENT中的凝固和熔化模型。
20.1选择通用多相流模型（Choosing a General Multiphase Model）20.2VOF模型(Volume of Fluid(VOF)Model)20.3混合模型(Mixture Model)20.4欧拉模型(Eulerian Model)20.5气穴影响(Cavity Effects)20.6设置通用多相流问题(Setting Up a General Multiphase Problem)20.7通用多相流问题求解策略(Solution Strategies for General Multiphase Problems)20.8通用多相流问题后处理(Postprocessing for General Multiphase Problems)20.1选择通用的多相流模型（Choosing a General Multiphase Model）正如在Section 18.4中讨论过的，VOF模型适合于分层的或自由表面流，而mixture和Eulerian模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的volume fraction超过10%的情形。
（流动中分散相的volume fraction小于或等于10%时可使用第19章讨论过的离散相模型）。
20. 多相模型概述
20. 多相模型概述本章讨论了一般的多相模型。
20.1选择多相模型VOF模型适合于气液分层流动或者具有自有表面的流动，而混合模型和欧拉模型适合于相混合或者分开的流动或者分散相的体积分率大于10％的流动。
从欧拉模型和混合模型种选择，你需要考虑一下几点:1)如果分散相的的分布广，那么用混合模型最为合适。
如果分散相几种在主域的某些区域，那么用欧拉模型合适2)如果相间的drag law可用或者可以通过用户定义的方式得到，那么欧拉模型能得到精确的结果，如果相间的drag law不可知或者能否应用到你的问题中还是未知的情况下，选择混合模型。
20.1.1 VOFVOF模型能够通过求解一系列的动量方程并且跟踪主域中每种流体的体积分数来模拟两种或者两种以上不相混流体。
典型的应用有：jet breakup，液体中大气泡的运动，坝决口后水的运动，任何气液交界面的瞬态或稳态跟随。
VOF的不足：只能使用segregated solver；所有的控制体积必须要么充满单个流体相，要么充满混合相，不允许出现没有任何流体的区域。
只允许一个相可压缩Streamwise periodic flow not useSpecies mixing and reacting flow cannot be modeled不能用大涡湍流模型The second-order implicit time-stepping formulation cannot be used不能用于无粘流The shell conduction model for walls cannot be used稳态和瞬态求解：VOF方程的求解一般都是非定常的，但是对于某些问题，你只关心稳态解，那么你可以进行稳态求解。
A steady-state VOF calculation is sensible only when your solution is independent of the initial conditions and there are distinct inflow boundaries for the individual phases。
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20.通用多相流模型（General Multiphase Models）本章讨论了在FLUENT中可用的通用的多相流模型。
第18章提供了多相流模型的简要介绍。
第19章讨论了Lagrangian离散相模型，第21章讲述了FLUENT中的凝固和熔化模型。
20.1选择通用多相流模型（Choosing a General Multiphase Model）20.2VOF模型(Volume of Fluid(VOF)Model)20.3混合模型(Mixture Model)20.4欧拉模型(Eulerian Model)20.5气穴影响(Cavity Effects)20.6设置通用多相流问题(Setting Up a General Multiphase Problem)20.7通用多相流问题求解策略(Solution Strategies for General Multiphase Problems)20.8通用多相流问题后处理(Postprocessing for General Multiphase Problems)20.1选择通用的多相流模型（Choosing a General Multiphase Model）正如在Section 18.4中讨论过的，VOF模型适合于分层的或自由表面流，而mixture和Eulerian 模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的volume fraction超过10%的情形。
（流动中分散相的volume fraction小于或等于10%时可使用第19章讨论过的离散相模型）。
为了在mixture模型和Eulerian模型之间作出选择，除了Section18.4中详细的指导外，你还应考虑以下几点：★如果分散相有着宽广的分布，mixture模型是最可取的。
如果分散相只集中在区域的一部分，你应当使用Eulerian模型。
★如果应用于你的系统的相间曳力规律是可利用的（either within FLUENT or through a user-defined function），Eulerian模型通常比mixture模型能给出更精确的结果。
如果相间的曳力规律不知道或者它们应用于你的系统是有疑问的，mixture模型可能是更好的选择。
★如果你想解一个需要计算付出较少的简单的问题，mixture模型可能是更好的选择，因为它比Eulerian模型要少解一部分方程。
如果精度比计算付出更重要，Eulerian模型是更好的选择。
但是请记住，复杂的Eulerian模型比mixture模型的计算稳定性要差。
三种模型概要的讲述，包括它们各自的局限，在Sections20.1.1，20.1.2，20.1.3中给出。
三种模型详细的讲述在Sections20.2,20.3和20.4中给出。
20.1.1VOF模型的概述及局限(Overview and Limitations of the VOF Model)概述（Overview）VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的volume fraction来模拟两种或三种不能混合的流体。
典型的应用包括预测，jet breakup、流体中大泡的运动（the motion of large bubbles in a liquid）、the motion of liquid after a dam break和气液界面的稳态和瞬态处理（the steady or transient tracking of any liquid-gas interface）。
局限（limitations）下面的一些限制应用于FLUENT中的VOF模型：★你必须使用segregated solver. VOF 模型不能用于coupled solvers.★所有的控制容积必须充满单一流体相或者相的联合；VOF模型不允许在那些空的区域中没有任何类型的流体存在。
★只有一相是可压缩的。
★Streamwise periodic flow (either specified mass flow rate or specified pressure drop) cannot be modeled when the VOF model is used.★Species mixing and reacting flow cannot be modeled when the VOF model is used.★大涡模拟紊流模型不能用于VOF模型。
★二阶隐式的time-stepping公式不能用于VOF模型。
★VOF模型不能用于无粘流。
★The shell conduction model for walls cannot be used with the VOF model.稳态和瞬态的 VOF计算在FLUENT中VOF公式通常用于计算时间依赖解，但是对于只关心稳态解的问题，它也可以执行稳态计算。
稳态VOF计算是敏感的只有当你的解是独立于初始时间并且对于单相有明显的流入边界。
例如，由于在旋转的杯子中自由表面的形状依赖于流体的出事水平，这样的问题必须使用time-dependent公式。
另一方面，渠道内顶部有空气的水的流动和分离的空气入口可以采用steady-state公式求解。
20.1.2Mixture模型的概述和局限(Overview and Limitations of the Mixture Model)概述混合模型是一种简化的多相流模型，它用于模拟各相有不同速度的多相流，但是假定了在短空间尺度上局部的平衡。
相之间的耦合应当是很强的。
它也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。
混合模型可以模拟n相（fluid or particulate）通过求解混合相的动量、连续性和能量方程，第二相的volume fraction方程，以及相对速度的代数表示。
典型的应用包括沉降（sedimentation），旋风分离器（cyclone separators），particle-laden flow with low loading,以及气相容积率很低的泡状流。
混合模型是Eulerian模型在几种情形下的很好替代。
当存在大范围的颗粒相分布或者界面的规律未知或者它们的可靠性有疑问时，完善的多相流模型是不切实可行的。
当求解变量的个数小于完善的多相流模型时，象混合模型这样简单的模型能和完善的多相流模型一样取得好的结果。
局限性（limitation）下面的局限应用于混合模型在FLUENT中：★你必须使用segregated solver.混合模型不适合于任何coupled solver.★只有一相是可压缩的。
★Streamwise periodic flow (either specified mass flow rate or specified pressure drop) cannot be modeled when the mixture model is used.★Species mixing and reacting flow cannot be modeled when the mixture model is used.★Solidification and melting cannot be modeled in conjunction with the mixture model.★大涡紊流模型不能使用在混合模型中。
★The second-order implicit time-stepping formulation cannot be used with the mixture model.★混合模型不能用于无粘流。
★The shell conduction model for walls cannot be used with the mixture model20.1.3Eulerian模型的概述和局限性（Overview and Limitation of the Eulerian Model）概述（Overview）在FLUENT中的可以模拟多相分离流，及相间的相互作用。
相可以是液体、气体、固体的几乎是任意的联合。
Eulerian处理用于每一相，相比之下，Eulerian-Lagrangian处理用于离散相模型。
采用Eulerian模型，第二相的数量仅仅因为内存要求和收敛行为而受到限制。
只要有足够的内存，任何数量的第二相都可以模拟。
然而，对于复杂的多相流流动，你会发现你的解由于收敛性而受到限制。
见Section 20.7.3多相流模型的策略。
FLUENT中的Eulerian多相流模型不同于FLUENT4中的Eluerian模型，在FLUENT4中液-液和液-固（granular）多相流动没有全局的差别。
颗粒流是一种简单的流动，它涉及到至少有一相被指定为颗粒相。
FLUENT解是基于以下的：★单一的压力是被各相共享的。
★动量和连续性方程是对每一相求解。
★下面的参数对颗粒相是有效的：（1）颗粒温度（固体波动的能量）是对每一固体相计算的。
这是基于代数关系的。
（2）固体相的剪切和可视粘性是把分子运动论用于颗粒流而获得的。
摩擦粘性也是有效的。
★几相间的曳力系数函数是有效的，它们适合于不同类型的多相流系。
（你也可以通过用户定义函数修改相间的曳力系数，as described in the separate UDFManual）。
κ-紊流模型都是有效的，可以用于所有相或者混合相。
★所有的ε局限性（Limitations）除了以下的限制外，在FLUENT中所有其他的可利用特性都可以在Eulerian多相流模型中使用：κ-模型能用于紊流。
★只有ε★颗粒跟踪（使用Lagrangian分散相模型）仅与主相相互作用。
★Streamwise periodic flow (either specified mass flow rate or specified pressure drop) cannot be modeled when the Eulerian model is used.★压缩流动是不允许的。
★无粘流是不允许的。
★The second-order implicit time-stepping formulation cannot be used with the Eulerian model.★Species transport and reactions are not allowed.★Heat transfer cannot be modeled.★The only type of mass transfer between phases that is allowed is cavitation;evaporation, condensation, etc. are not allowed.稳定性和收敛性（Stability and Convergence）求解多相流系统的过程本来是困难的，你会遇到稳定性和收敛性的问题，尽管现在的算法比FLUENT4中用的更稳定了。