12多相流模型-fluent_multiphase
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欧拉多相模型
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体积载荷和颗粒载荷
体积载荷 – 稀疏型或者密集型
z
指从属相（ secondary phase）的体积分数
Volume Fraction = α = Volume of the phase in a cell/domain Volume of the cell/domain
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:
z
具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相 （液相－液相，例如：油－水）
Secondary Phase
流体体统包括基础相（primary）和若干从属相 （secondary）组成
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DPM 举例 – 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。
z
稀疏型 (< 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。
颗粒载荷 – 离散相和连续相的惯性力 比率
Vprimary
Vsecondary
α part ρ part
α cont ρcont
⎧<< 1, one way coupling =⎨ ⎩≅ 1, two way coupling
z
这意味着异相反应将导致相间的质量传输
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z z
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混合物质相
在 FLUENT的所有多相流模型中，任何相都可以看成是由单个物质 或多个物质组成的混合物构成。 混合相的材料定义和单相流中的定义一样。 可以建立异相间的反应 (反应物和产物属于不同相)。
Air and methane inlets
Centerline for particle injections Outlet Path Lines Indicating the Gas Flow Field
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z
Stokes数(St)是粒子(离散相)时间松弛系数(τd)和流动特征时间尺度(τc) 的比值。
St =
τd τc
2 ρd d d D 其中 . τ d = ， τc = 18 μ c U
z
D 和 U 是流动特征长度和速度。 如果 St << 1, 颗粒将会跟随流场流动。 如果 St > 1, 颗粒流动独立于流场流动。
多相流模型
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欧拉模型中的颗粒相关选项
当固体颗粒的浓度较高时，流动成为颗粒流，颗粒间的相互碰撞 加剧。 粒子考虑为有一定密度、分子相互碰撞的云团组成。颗粒相应用 了分子云理论。 运用这个理论，连续相和粒子相的动量方程将出现附加应力项
Liquid / Solid
z
Sedimentation
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Fluidized Bed
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颗粒体积含量 Stokes数
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多相流的各种形式
FLUENT中的多相流模型
适合颗粒流的模型
z z z
Define
Models
Multiphase…
离散相模型 (DPM) 混合模型 欧拉多相流模型
适合有分界面的模型
z
VOF模型
Define
Phases…
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Vcell
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Stokes数
流体系统中有颗粒时，根据Stokes数选择合适的模型
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喷雾干燥器仿真 (2)
Initial particle Diameter: 2 mm
1.1 mm
0.2 mm
Contours of Evaporated Water
Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
高浓度粒子流 泥浆流 沉淀 水力运输 流化床 冒口 反应堆
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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
z z z z
粒子可以与连续相交换热，质量和动量。 每条轨迹都是由一组初始条件相同的颗粒形成。 粒子与粒子间的相互作用可以忽略。 可以使用随机轨道方法或者粒子云模型来建立湍流扩散模型。
子模型
z z z z z
离散相的加热/冷却 流体液滴的汽化和蒸发 燃烧粒子的挥发和燃烧 喷雾模型中液滴的破碎聚合 侵蚀/沉积
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欧拉多相模型
Hale Waihona Puke Baidu
欧拉多相流模型基于平均N-S方程，可以计算任意粒子和连续相 物质。 对每一相求解守恒方程。 每相同时共存: 每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率 等）＋界面项。 界面项包括动量（升力），热量和质量交换。相间速度和温度差 异使得机械能和热能的交换是非线性的。 提供了附加的模型（湍流模型等）。
欧拉模型案例 – 三维气泡柱
z = 20 cm
z = 15 cm
z = 10 cm
z = 5 cm
Iso-Surface of Gas Volume Fraction = 0.175
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Liquid Velocity Vectors
z
z z
粒子速度波动强度决定了这些应力项（粒子粘性、压力等）的大小 。 由于粒子速度波动造成的动能表现为“pseudo－thermal”或粒子温度。 考虑了粒子相的不可伸缩性。
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z
气泡流－连续流体中的离散气泡， 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 弹性流－液相中的大气泡 分层/自由表面流－被清晰界面分开的 互不相混的流体，例如：自由表面流 粒子流－连续液体中的固体颗粒，例 如 ：旋风分离器，空气清新器，吸尘 器，尘埃环境流 流化床－沸腾床反应堆 泥浆流 – 流体中含有颗粒、固体悬浮 物、沉淀、水力输运
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欧拉模型的适用条件
流态： 体积载荷： 颗粒载荷： 湍流模型： Stokes数 ： 应用举例
z z z z z z z
气泡流, 液滴流, 泥浆流, 流化床, 粒子流 稀疏－稠密 低到高 相间的耦合从弱到强 所有
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DPM模型的适用条件
流态: 体积载荷: 粒子载荷: 湍流模型: Stokes数: 应用举例
z z z z z
气泡流, 液滴流, 粒子流 必须是稀疏型 (体积率 < 12%) 少量到适中 相间的耦合从弱到强 所有 Stokes数
旋风分离器 喷雾干燥器 粒子的分离和分类 液体燃料 媒粉燃烧
z z
z
基础相(primary) 是连续介质 从属相 (secondary) 分散在 基础相中 可以有多个不同尺寸的颗粒从属相
Primary Phase
比较而言, 多组分流动是一种可以用单一的速度和温度来定义所有 成分的流动。
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Slug Flow Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow
z
Gas/Liquid Liquid/Liquid
z z
z
Gas / Solid
z
Stratified / FreeSurface Flow
Pneumatic Transport, Hydrotransport, or Slurry Flow
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选择多相流模型
为能选择合理的模型，用户需要预先了解流动的特点:
z
流态
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相当)
z z
多相湍流模型 在颗粒流动中，以下值需要估算
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欧拉多相模型
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体积载荷和颗粒载荷
体积载荷 – 稀疏型或者密集型
z
指从属相（ secondary phase）的体积分数
Volume Fraction = α = Volume of the phase in a cell/domain Volume of the cell/domain
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:
z
具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相 （液相－液相，例如：油－水）
Secondary Phase
流体体统包括基础相（primary）和若干从属相 （secondary）组成
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DPM 举例 – 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。
z
稀疏型 (< 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。
颗粒载荷 – 离散相和连续相的惯性力 比率
Vprimary
Vsecondary
α part ρ part
α cont ρcont
⎧<< 1, one way coupling =⎨ ⎩≅ 1, two way coupling
z
这意味着异相反应将导致相间的质量传输
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混合物质相
在 FLUENT的所有多相流模型中，任何相都可以看成是由单个物质 或多个物质组成的混合物构成。 混合相的材料定义和单相流中的定义一样。 可以建立异相间的反应 (反应物和产物属于不同相)。
Air and methane inlets
Centerline for particle injections Outlet Path Lines Indicating the Gas Flow Field
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z
Stokes数(St)是粒子(离散相)时间松弛系数(τd)和流动特征时间尺度(τc) 的比值。
St =
τd τc
2 ρd d d D 其中 . τ d = ， τc = 18 μ c U
z
D 和 U 是流动特征长度和速度。 如果 St << 1, 颗粒将会跟随流场流动。 如果 St > 1, 颗粒流动独立于流场流动。
多相流模型
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欧拉模型中的颗粒相关选项
当固体颗粒的浓度较高时，流动成为颗粒流，颗粒间的相互碰撞 加剧。 粒子考虑为有一定密度、分子相互碰撞的云团组成。颗粒相应用 了分子云理论。 运用这个理论，连续相和粒子相的动量方程将出现附加应力项
Liquid / Solid
z
Sedimentation
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颗粒体积含量 Stokes数
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多相流的各种形式
FLUENT中的多相流模型
适合颗粒流的模型
z z z
Define
Models
Multiphase…
离散相模型 (DPM) 混合模型 欧拉多相流模型
适合有分界面的模型
z
VOF模型
Define
Phases…
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Stokes数
流体系统中有颗粒时，根据Stokes数选择合适的模型
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喷雾干燥器仿真 (2)
Initial particle Diameter: 2 mm
1.1 mm
0.2 mm
Contours of Evaporated Water
Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
高浓度粒子流 泥浆流 沉淀 水力运输 流化床 冒口 反应堆
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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
z z z z
粒子可以与连续相交换热，质量和动量。 每条轨迹都是由一组初始条件相同的颗粒形成。 粒子与粒子间的相互作用可以忽略。 可以使用随机轨道方法或者粒子云模型来建立湍流扩散模型。
子模型
z z z z z
离散相的加热/冷却 流体液滴的汽化和蒸发 燃烧粒子的挥发和燃烧 喷雾模型中液滴的破碎聚合 侵蚀/沉积
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欧拉多相模型
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欧拉多相流模型基于平均N-S方程，可以计算任意粒子和连续相 物质。 对每一相求解守恒方程。 每相同时共存: 每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率 等）＋界面项。 界面项包括动量（升力），热量和质量交换。相间速度和温度差 异使得机械能和热能的交换是非线性的。 提供了附加的模型（湍流模型等）。
欧拉模型案例 – 三维气泡柱
z = 20 cm
z = 15 cm
z = 10 cm
z = 5 cm
Iso-Surface of Gas Volume Fraction = 0.175
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Liquid Velocity Vectors
z
z z
粒子速度波动强度决定了这些应力项（粒子粘性、压力等）的大小 。 由于粒子速度波动造成的动能表现为“pseudo－thermal”或粒子温度。 考虑了粒子相的不可伸缩性。
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9-15
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z
气泡流－连续流体中的离散气泡， 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 弹性流－液相中的大气泡 分层/自由表面流－被清晰界面分开的 互不相混的流体，例如：自由表面流 粒子流－连续液体中的固体颗粒，例 如 ：旋风分离器，空气清新器，吸尘 器，尘埃环境流 流化床－沸腾床反应堆 泥浆流 – 流体中含有颗粒、固体悬浮 物、沉淀、水力输运
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欧拉模型的适用条件
流态： 体积载荷： 颗粒载荷： 湍流模型： Stokes数 ： 应用举例
z z z z z z z
气泡流, 液滴流, 泥浆流, 流化床, 粒子流 稀疏－稠密 低到高 相间的耦合从弱到强 所有
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DPM模型的适用条件
流态: 体积载荷: 粒子载荷: 湍流模型: Stokes数: 应用举例
z z z z z
气泡流, 液滴流, 粒子流 必须是稀疏型 (体积率 < 12%) 少量到适中 相间的耦合从弱到强 所有 Stokes数
旋风分离器 喷雾干燥器 粒子的分离和分类 液体燃料 媒粉燃烧
z z
z
基础相(primary) 是连续介质 从属相 (secondary) 分散在 基础相中 可以有多个不同尺寸的颗粒从属相
Primary Phase
比较而言, 多组分流动是一种可以用单一的速度和温度来定义所有 成分的流动。
9-2
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Slug Flow Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow
z
Gas/Liquid Liquid/Liquid
z z
z
Gas / Solid
z
Stratified / FreeSurface Flow
Pneumatic Transport, Hydrotransport, or Slurry Flow
Introductory FLUENT Notes FLUENT v6.3 Aug 2008
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选择多相流模型
为能选择合理的模型，用户需要预先了解流动的特点:
z
流态
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相当)
z z
多相湍流模型 在颗粒流动中，以下值需要估算