过滤过程fluent模拟

100 mm
1. 二维模型100×100 mm及模拟结果
假设条件：过滤介质内流场复杂，在建模时 需要作以下假设：①假设流体作定常流动； ②整个流动过程为等温过程。
1.1 模型设置
过滤介质 滤室
滤 液 通 道
模型大小： 100×100 mm 滤液通道：15×100 mm 过滤介质：5×100 mm 滤室：60×100 mm 多孔介质及表面区域网格较细： 网格大小0.1mm 滤液通道及滤室网格较粗0.3mm 共7.5万网格
出口流量监测图
3.多孔区模型及模拟结果
3.1 模型设置
模型大小：二维模型90×55.5 mm 滤液通道：10×55.5 mm，网格大小 0.2mm 滤室：30×55.5 mm 网格大小0.2mm 过滤介质：微孔通道和多孔介质组合， 微孔通道大小0.3mm，微孔通道之间用 2mm多孔介质模型，多孔介质模网格大 小0.15mm。 网格数量：3万 固相颗粒粒径：0.1mm
100 mm
6.工作方向
过滤过程的Fluent模拟
指导教师：谭蔚 报 告 人：冯国红 时 间：2011.03.30
内容
1. 二维模型100×100 mm及模拟结果 2.二维模型100×500 mm及模拟结果 3.多孔区模型及模拟结果 4.结果讨论 5.存在的问题 6.工作方向


过滤是指液（或气）两相体系中的液体（气 体）以渗流的方式穿过多孔介质的孔隙，而固体 颗粒被截留在过滤介质的一侧或被阻留在过滤介 质的空隙内，从而达到固液（气）分离的目的。 本文只对固液分离进行研究，采用计算流体力学 商用软件fluent模拟过滤过程，过滤介质采用多孔 介质模型表示，这里只是宏观的研究过滤介质内 及其表面的固相颗粒沉积现象，对过滤介质内的 流场未作研究。

Hale Waihona Puke Baidu


1.2 模拟结果

进料速率为10m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图

当进口速度改为3m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
出口流量监测图
2. 二维模型100×500 mm及模拟结果
2.1 模型设置
过滤介质 滤室
滤 液 通 道
模型大小： 100×500 mm 滤液通道：15×500 mm 过滤介质：5×500 mm 滤室：60×500 mm 多孔介质及表面区域网格较细： 网格大小0.5mm 滤液通道及滤室网格较粗1mm 共3万网格 模型设置同100×100 mm模型
图1模型图

求解方法：分离隐式求解，标准模型，稳态流动，欧拉多相 流模型；
相设置：悬浮液进料，液相水，固相caco3，粒径0.01mm， 体积含量0.15； 操作条件：标准大气压，考虑重力9.81 m/s2 边界条件：速度进口，进料速率为10m/s, 压力出口， 离散格式：动量方程，湍动能方程和湍流耗散率方程采用二 阶迎风格式，体积方程采用QUICK格式； 多孔介质：孔隙率0.4，固相粘性阻力系数两个方向均设为 1016（1/m2），惯性阻力系数106（1/m），液相粘性阻力系 数两个方向均设置为109（1/ m2），惯性阻力系数500 （1/m）；
图3 模型图
模型设置同100×100 mm模型
3.2 模拟结果

进料速率为10m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
出口流量监测图
100 mm
4.结果讨论

一般我们都希望在收敛的情况下，残差越小越好，但是 残差曲线是全场求平均的结果，有时其大小并不一定代 表计算结果的好坏，有时即使计算的残差很大，但结果 也许是好的，关键是要看计算结果是否符合物理事实， 即残差的大小与模拟的物理现象本身的复杂性有关，必 须从实际物理现象上看计算结果。
100 mm
5.存在问题（二）
11. 设置outflow出口边界时，如果采用对称模型，只计算半个模型，模型下部进口，上部 左右两侧分别有一个出口，那么flow rate weighting 应设置0.5还是1？1 12. 从各种模拟中发现，液相进出口不满足连续性方程，不符合实际物理现象，增大粘性 阻力和惯性阻力是否可以满足连续性方程？ 13. 改变出口监测曲线的物理参数，看看是否收敛？ 14. 能否检测到多孔介质表面的剪应力？ 15. 固相设置中所选参数对模拟结果的影响？ 16. 通过反复模拟试算固相摩擦粘度不能设为0，应该由fluent提供的计算式schaffer进行计 算，在低剪切密集流体中，固相体积分数接近于压缩极限时，应力的产生主要是由于 颗粒之间的摩擦，所以固相摩擦粘度不能设为0。 17. 固液之间的曳力函数的选择？选择syamlal-obrien还是wen-yu还是Gidaspow模型？曳 力函数对模拟影响较大？能否在同一模型中不同位置选用不同的曳力函数？如何设定？ 用户自定义吗？ 18. 模拟未考虑过程中流体粘度的变化，且忽略了能量方程。 19. 对于100x500模型，在其他设置条件不变的情况下，把稳态改为非稳态进行计算，模拟 结果与闻太师完全相反，残差曲线波动，但残差值均较小10-5左右，连续性曲线10-3 左右，固相全部流出，滤室内压力0~0.25大气压左右，为什么会出现这种现象？ 20. 三维模型 ，在三维模型中设置与二维模型相同的阻力系数时，固相全部通过，甚至 当固相的粘性阻力系数设为10-20时，仍能全部通过。Fluent中数值上限为10-20，建议 固相在多孔介质表面的速度设为0，重新计算。 21. 采用多孔区模型存在的问题是网格划分很多，计算量相当大，当二维模型大小设为 时网格数量达57万个，对于三维模型网格数量很大，现有计算机能否达到计算要求。 把压力出口改为自由出口，模拟结果残差曲线，出口流量曲线如图所示 22.
图2 模型图
2.2 模拟结果

进料速率为10m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
出口流量监测图

进料速率为3m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
出口流量监测图

进料速率为2m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
压力出口自由出口残差曲线和出口流量曲线波动大，自 由出口的出口流量曲线很光滑稳定。 本模拟固相残留在模型中，满足连续性方程


100 mm
5.存在问题（一）
1. 怎样才能使滤饼充满滤室？ 2. 滤饼充满滤室需要多长时间？ 3. 在其它参数设置保持不变的情况下，改变进口速度，当进口速度为 小于3m/s时，比如v=1m/s,固相能全部通过，当口速度为大于3m/s， 固相都能被截留，在相同的参数设置下，为什么会出现这种现象？ 另外当进口速度为等于2m/s时需要迭代更多的次数。残差曲线和出 口流量曲线才能稳定？大概1.8万次。进口速度越大，得出的结论效 果越好，但还是不收敛。 4. 残差曲线为什么总不收敛，尤其是连续性曲线？ 5. 加大水力学直径加速收敛基本不可行。 6. 按照网上介绍的加快收敛的方法，把相邻区域网格大小比例控制在 1.2以内，对收敛没有效果。 7. 把出口边界条件设为自由出口试试效果如何？此时流量出口的flow rate weighting 应设置0.5还是1？ 8. 把速度入口改为压力入口试算。 9. 试试多重网格 10. 在三维中把interior改为interface