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1、Lecture 6 ANSYS CFD Multiphase,Introduction to ANSYD CFD,Multiphase in ANSYS CFX,Introduction to ANSYD CFD,Multiphase Applications,Chemical and Process Industry Gas cleaning Fluidized bed reactors Bubble columns Polymer production Mixers Dryers Power Generation Droplet combustion Coal combustion Con
2、densation 相动量方程 Eulerian-Lagrangian: 追踪离散相轨迹; 常微分方程求解轨迹粒子(F = ma) 简化的多组分方法 代数滑移(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model) 发生相变的亮相流体的平衡模型(equilibrium model) 单相动量方程; 或输运方程(代数滑移) 或以不同组分质量分数表示不同相的代数方程 (平衡模型),Modeling Approaches,不同的多相流流动采用的方法是不同的. 方法是否合适取决于多相流流动的特性和相关的物理现象. 简化的多组分方法 发生相变的两相平衡模型(equilibriu
3、m model) 假定质量输运很快 考虑混合物(液体和其蒸气)的能量和焓的代数表达式计算出体分数 由计算得到的液体和其蒸气的体分数计算混合物的属性 代数滑移(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model) 假定粒子立刻达到最终速度(小颗粒, 忽略拽力) 代数滑移相以质量分数方式表示 完全的多相流分析 Eulerian-Eulerian: 体分数输运方程 Eulerian-Lagrangian: 离散相轨迹追踪,Eulerian-Eulerian Approach,相和相之间形成连续统一体 相和相之间的混合尺度大于分子尺度而小于求解尺度. 相和相之间分享同样的空
4、间体积. 各相都以指定的体分数占据每个控制体(单元). 求解各相的连续性方程得到各相的体分数. 一般来说, 各相都有各自的场变量(field variables). 假定相间变量相同( homogeneous) 对相间的能量, 质量和动量输运进行耦合计算. 相间输运模型(transfer models)对不同的问题有不同的经验输入.,每一相的连续, 动量, 能量, 和通常的标量守恒方程. N套耦合的偏微分方程 (u, v, w, p, T, vf)1 (u, v, w, p, T, vf)2 (u, v, w, p, T, vf)N 6 + 6 + unknowns 5 + 5 + 5 equ
5、ations vf1+vf2 + = 1 p1=p2=pN 对homogeneous处理方法, 假定两相处体分数外有相同的场变量 (field variables) 总的计算量更少, 经常用于自有液面问题 对inhomogeneous方法, 相间仅仅压力场共享,Eulerian-Eulerian Approach,Effect of Averaging,通常, 假定任何给定的单元包含一定数量的离散相粒子, 液滴, 或空泡. 在任何给定单元包含的离散相的数目与体分数相等. 相加权平均 离散粒子, 液滴, . 统计概率 (volume fraction) 与相间结构无关,一般变量的输运方程. 这些
6、方程除了考虑了加权平均的体分数ra及添加了相间输运相外与单相流的输运方程有相同的形式: 在等式右边有两套源项. 第一项是标准的体分数加权项. 第二项是相间输运. 对两相流来说: 这里 是由于能量(热)变化或动量(拽力)变化引起的相间输运项,Eulerian Transport Equation,Continuity and Momentum,相的连续方程: 动量方程: ANSYS CFX里内置一系列相间拽力系数模型(interphase drag coefficient ). 从连续方程可以看出相间质量输运项位于等式右边.,人口平衡/MUSIG Model,在标准Eulerian-Euleri
7、an应用中, 离散相仅以单一直径的方法描述. 实际上在大多数情况下, 离散的液滴和空泡可能在流体力的作用下发生融合或破碎使得离散相直径发生变化. MUSIG Model Multiple Size Group model 离散相包含一系列不同尺寸的离散颗粒 对应于population balance方法 在默认的homogeneous方法上, 所有不同直径的颗粒移动速度相同 可预测不同大小的颗粒的分布, 对应流体力和融合或分散现象的发生局部平均尺寸和相间面积会发生变化,Eulerian-Lagrangian Approach,对Eulerian-Lagrangian方法, 连续相以先前的方式进
8、行描述, 但是对一个 或多个离散相对具有代表性的粒子轨迹追踪的方法进行描述. 对Eulerian相, 求解所有因变量(速度, 温度, 等.)的PDE(偏微分方程) 对Lagrangian相, 将运动颗粒看作运动质点, 求解ODE(常微分方程) : F = ma = m d2X/dt2 Eulerian 和 Lagrangian相依然由于动量, 能量和质量变化相互作用 离散颗粒尺寸变化的情况下, 可采用Lagrangian方法,Force Balance on a Single Particle,粒子动量方程 空气动力学和质量力平衡,Single Particle Forces,Algebrai
9、c Slip Model,简化的多组分流模型 对滑移/漂移速度(slip/drift velocities)采用代数方程(algebraic equation) 想见帮助 Advantages: 减少CPU时间 降低复杂度 Limitations: 离散相密度和颗粒直径必须较小 (假定瞬时达到最终速度) 忽略非拽力(Nondrag forces are negligible),Algebraic Slip Model in ANSYS CFX,ANSYS CFX里的应用 单相多组分流模型(Single-phase multi-component model) 设置连续相作为约束组分 设置每个离
10、散相为“代数滑移”组分: 拽力平衡(Drag force balance) 求解器计算滑移速度, 给定一颗粒拽力律(drag law, 如, Schiller Naumann). 滑移速度,湍流扩散 采用标准的梯度扩散假设(standard gradient diffusion hypothesis), 由湍流Prandtl数控制 能量输运 由滑移流动进行能量输运. 壁面沉积(Wall deposition) 可设Wall为deposition walls. 离散相从系统中移除, 以约束相取代. 后处理可以出来沉积率(Deposition rate),Algebraic Slip Model
11、in ANSYS CFX,Algebraic Slip Model in ANSYS CFX,后处理变量: Mass fraction Volume fraction Deposition rate Slip velocity Drift velocity 模型缺陷: 连续相和离散相自身不能是可变组分的混合物,例如: L-bend, joined by GGI Gravity in x-direction Deposition wall on side and bottom Three particle groups: Small: 1.E-6 m Medium: 1.E-5 m Large:
12、 1.E-4 m Schiller-Naumann drag law,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Algebraic Slip Model Example,Equilibrium Multiphase Models,在某些情况下, 不关心两相流行为的细节的描述, 而关心两相混合后的流体属性. 例如湿蒸气流或制冷剂蒸气流. 在平衡方法(equilibrium approach)中, 假定两相混合
13、物处于混合质量平衡态, 由混合物中各相的焓决定: x = (hmixture - hl)/(hv - hl) 混合物的饱和属性以Homogeneous Binary Mixture定义.,Equilibrium Multiphase Models,用homogenous binary mixture定义两组分的饱和属性 (如. 液体和蒸气 homogeneous binary mixture通常用于流体域定义单个流体 指定其中一个组分 (如. liquid or vapor) 的平衡分数(equlibrium fraction) .,Equilibrium Model Example,Impo
14、rting materials from the Redlich-Kwong library,Equilibrium Model Example,Equilibrium Model Example,Homogeneous Binary Mixture,Multiphase in ANSYS FLUENT,Introduction to ANSYD CFD,FLUENT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 选择合
15、适的模型非常重要 取决于流体是否离散以两相间的长度尺度界定 还需考虑Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例),Volume and Particulate Loading,体积加载(Volume Loading) 稀疏 .vs. 稠密 次要相的容积分数 稀疏加载时 (小于10%),颗粒间的平均距离是颗粒直 径的两倍. 此时可忽略颗粒间的相互作用. 粒子加载(Particulate Loading)弥散相与连续相的惯性力比.,多相流湍流模拟,多相流的湍流模拟是极具挑战性的. 目前, 只使用单相流湍流模型(如k 或 RSM)模拟主相的湍流运动情况. 湍流方程包含由次要相引起的其它湍流修
16、正项. 如果两相分离, 同时相与相之间的密度比接近1, 或颗粒容积分数较低 ( 10%), 可用单相模型描述表征混合相的特征. 对其它问题, 也采用单相模型或颗粒修正模型.,多组分相(Mixtures of Species),FLUENT内的所有多相流模型，任意相都可以是单物质或多组分物质. 相混合物的材料定义和单相流相同. 可模拟异相反应 (反应物和生成物可属于不同的相). 这表明异相反应会导致在交界面发生质量传递.,离散相模型概述,在拉格朗日参考系中计算颗粒，液滴及气泡的轨迹. 颗粒可以与连续相（气相）进行热量，质量和动量交换. 每一条轨迹线代表一组初始条件相同的颗粒. DPM 忽略颗粒间的碰撞及其它相互作用. 湍流对颗粒运动的影响可使用随即跟踪（最常用的方法）或颗粒云团模型来模拟l. 子模型 热传递, 蒸发/沸腾, 燃烧, 破碎/融合, 腐蚀/增生. DPM 应用 流动范围: 气泡流, 液滴流, 颗粒加载流 体积加载: 必须是稀疏的 (容积分数
