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1、7.数值模拟与结果分析7.1数值计算方法简介计算流体力学作为流体力学研究中的一门新兴分支，正在工业和科研领域内发挥越来越重要的作用。将CFD工具运用到分离机械的研究中，也成为工程技术人员改进设计、提高效率的有效手段，是CFD应用的前沿。一些成熟的算法，模型也以商业软件的形式出现在工程及科研领域。相比研究单位自行开发的计算程序，商业计算软件一般具有以下特点：1通用性广。由于商业软件面向的用户对象广泛，处理的实际问题多种多样，因此其覆盖的应用范围要尽可能广。2计算稳定性好。多数软件经过不同研究领域内的算例测试，对不同类型的问题具有较好的适应能力。3使用方便，商业软件经过不同友好的用户界面，方便用户
2、的使用。4一般商业软件也存在一些明显的不足，例如：算法相对陈旧，不能紧跟CFD研究领域内的最新成果；与不同行业内的实际要求存在一定的距离，难以将各研究单位已有的研究成果结合到商业软件中。这在一定 程度上限制了商业软件在工程实际中的应用。FLUENT是由美国FLUENT公司于1983推出的CFD软件。它是继PHOENICS软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。本文运用fluent软件对离心式分离器的内流场进行分析计算，fluent公司是享誉世界的最大计算流体力学软件供应商，fluent软件能够精确地模拟无粘流、层
3、流、湍流、化学反应、多相流等复杂的流动现象。应用领域包括：航空航天、汽车设计、生物医药、化学处理、石油天然气、发电系统电子半导体、涡轮设计、HVAC、玻璃加工等。FLUENT具有精度高，收敛快，稳定性好等特点。Gambit是前置处理器，能针对及其复杂的几何外形生成三维四面体，六面体的非结构化网格及混合网格。该模块还具有方便的网络检查功能，对网络单元体积、扭曲率、长细比等影响收敛和稳定的参数进行统计并生成报告。7.2 计算流体力学基础在流体力学的研究中，常用的方法有理论研究方法、数值计算方法和实验研究方法。理论研究方法的特点是：能够清晰、普遍地揭示出流动的内在规律，但该方法目前只局限于少数比较简
4、单的理论模型，而且需要研究者具有较高的理论素养和数学功底。实验研究方法的特点就是结果可靠，但其局限性在于相似准则不能全部满足、尺寸限制、边界影响等，同时，实验研究需要场地、仪器设备和大量的经费，研究周期也比较长。数值计算方法所需要的时间和费用都较少，并且具有较高的精度，目前在流体力学的研究中扮演着越来越重要的角色。数值计算方法要求对问题的物理特性有足够的了解，并能建立较精确的描述方程组。计算流体力学的求解过程大致可以分成下列若干步骤：（1）建立基本守恒方程组数值模拟的第一步是由流体力学、热力学、传热传质学、燃烧学及热等离子的基本原理出发，建立质量、动量、能量、组分、湍流特性的守恒方程组，如连续
5、方程、动量方程、组分方程、湍能方程等。对湍流、多相流等，由不同的模拟理论出发，往往基本守恒方程组也不相同，因此，如何构造基本方程组，也是模拟理论的重要部分。FLUENT 中所采用的都是比较成熟的模拟理论和数值模型。（2）建立或选择模型或封闭方法建立的基本方程往往是不封闭的，特别是湍流、甚至多相流、化学反应流更是如此。例如，动量方程中的脉动速度关联项（雷诺应力项），能量方程中的湍流导热项及辐射项，扩散方程中的扩散项及湍流反应项等都是未知的。解决这一问题，使方程组封闭，就是模拟理论的关键问题。FLUENT 中已经预设了许多的物理模型，如湍流模型、两相流模型、湍流反应模型、辐射换热模型、污染物生成模
6、型等。用户可以根据具体问题选择不同的模型，也可以自己通过实验事实或物理概念的基本假设来构造各个过程的模型。（3）确定初始与边界条件数值模拟的第三步是必须按给定的几何形状和尺寸，由问题的物理特征出发，确定计算域并给定计算域的进出口，轴线（或对称面）及各壁面或自由面处条件。对湍流和多相流动还需要分别给出各相的各变量的时均值及脉动值的各初始条件与边界条件。正确给定边界条件是十分重要的。边界条件是否合理往往也是数值模拟成败的关键问题之一，初始条件是所研究对象在过程开始时候各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态的非定常问题必须给定初始条件。对于定常问题，不需要初始条件。（4）划分计算网格采用数值方法求解控
7、制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到离散方程组，其本质就是把连续的空间变量用离散的网格点上的变量来近似，连续的控制方程在离散后就成为所有网格点上变量非线性方程组。要想在空间区域上离散控制方程组，必须使用网格。现在已经发展出多种对各种区域进行离散以生成网格的方法，网格生成技术也成为 CFD 领域的一个独特分支。可以说，网格生成占据了整个CFD 任务的 70%以上的工作量。（5）建立离散化方程用数值方法求解偏微分方程组，必须将该方程组离散化，即把计算域内有限数量位置（网格节点或网格控制体中心点）上的因变量作为基本未知量来处理，从而建立一系列关于这组未知量的代数方程组，然
8、后通过求解代数方程组来得到这些节点上的值。对于所引入的因变量在节点之间的分布，假设及推导离散化方程的方法不同，形成了有限差分法，有限容积法，有限元法，或有限分析法等不同类型的离散化方法。FLUENT 使用的是有限容积法。在同一种离散化方法中，例如有限体积法，对方程中对流项所采用的离散格式不同，也将导致不同形式的离散方程，这种离散格式通常称为空间差分格式，FLUENT 提供了多种离散格式供选择，如中心差分、一阶迎风格式、二阶迎风格式、QUICK 格式三阶 MUCSL 格式等，还有为可压缩流动中激波等间断捕捉设计的 Roe 格式，AUSM 类格式等。对于非定常问题还有涉及时间上的差分，FLUENT
9、 提供了隐式、显式的一阶和二阶的时间差分格式。（6）制定求解方法对离散完成的差分方程组已经有各种不同的求解方法。例如涡量流函数算法、基于压力的压力速度修正算法（SIMPLE 系列算法），基于密度的耦合隐式或显式时间推进求解算法，矢通量分裂方法和通量差分分裂方法等。针对代数方程组的求解有三角矩阵法（追赶法）、逐线迭代、松弛高斯赛德尔迭代方法等。针对两相流和有反应的流动又有一些更专门的解法，如颗粒与流线的耦合 PISC 法，加速化学反应计算而设计的ISAT 算法等。FLUENT 已经在求解器内设计了目前多数已经成熟的求解方法供用户选择，对算法及相应参数意义的详细了解有助于我们正确的使用 FLUEN
10、T 来设置所需的各种松弛因子、算法参数，提高计算效率。（7）除了上述基本解法以外，还要针对具体问题的特点，研究一些计算方法的细节或称计算技巧。例如对于合理而经济的网格划分与安排，有时要选择随机过程的空间或时间而变化的网格系，以便不抹掉物理特征而又经济。又如对不规则形状边界的处理，松弛系数的选择。对多相流动还要讨论两相间迭代以及反应和流动间迭代的最佳步骤，颗粒相的校正、轨道积分方法等。FLUENT 中也涵盖了最新成熟的各种计算技巧。（8）编写和调试计算程序如果是自己开发 CFD 软件，这一步就是要从所选择的算法出发，编制主程序及各个子程序，使之具有通用性和灵活性，便于应用和作必要的改动。然后通过
11、调试消除程序编制中的各种错误，使程序能正常运行，给出收敛而且初步合理的结果。最后发布程序。而且 FLUENT 还提供了用户接口 UFD 函数，方便用户调用，这样使软件更加灵活和通用。我们在编写 UFD 用户程序的时候也需要进行调试，以获得正确的结果。（9）数值模拟结果与实验的对比在对各种工况进行大量的模拟计算后，如果判断解收敛，就可以得到一批可用的变量场预报结果。这里判断解的收敛性是一个经验性很强的问题。常用的判断方法就是判定残差小于我们设定的某个小量，在实际应用中，经常要配合以总的质量流量、某点的物理量变化或某个截面通量物理量的变化、物体所受的力或者力矩的变化等来综合判断，而且有时是所监控的
12、物理量不再变化，有时是所监控的物理量呈周期性变化时，就认为解收敛了。如果解不收敛甚至发散，就需要调整松弛因子，降低松弛因子，降低差分格式，选择更简单的模型，甚至重新回到 GAMBIT 中划分网格以提高网格质量，再重新开始计算。总之，必须获得收敛的数值模拟结果。必须将这些模拟预报结果和变量场的测量结果进行对照，或者依据一些理论结果，定性且定量地评价模拟结果或模拟理论及方法的优缺点及可靠性，方便我们选择更合适的模拟理论及方法。例如，在 FLUENT 中选择更合适的湍流模型、燃烧模型或选择更精确的高阶格式等。FLUENT 中提供了多种手段将预测的物理量场的结果显示出来，包括线值图、矢量图、等值线图、
13、流线图等多种方式。FLUENT 可以模拟各种涉及离散相的问题，诸如：颗粒分离与分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉燃烧。7.3 选择模拟模型7.3.1 国内外模拟分离器的研究Boyson 等首先用 CFD 技术手段采用将 - 模型和代数应力方程相结合的具有湍动各项异性的代数应力方程模型（Algebraic Stress Method，简称 ASM）对旋流器进行了二维的模拟。Dya-kowski 和 Willianms（1993）用修正 - 模型以及 Griffiths 和 Boysan用 RNG- 模型分别对旋流器进行的 CFD 模拟研究。Meier 等提出
14、了将 - 模型与标准Prandtl 混合模型结合的各相异性模型，有限体积法（Finite Volume Method，简称 FVM）将新的模型与各相同性的 - 模型比较发现，各相同性的模型在模拟旋流器内部流动时是失败的，而各相异性模型模拟结果与实验数据非常吻合。J.Hoekstra等分别采用-模型、RNG-模型和雷诺盈利模型以及激光多普勒测计测量对旋流器进行了实验和CFD模拟研究，通过与测定速度对照评定了预测旋流器中强涡旋流动的3种湍流模型的表现，CFD预报数值与LDV实验数据对照显示，以涡旋黏度方法为基础的湍流模型在预测实验观察到的合成涡旋时是失败的，标准-模型、RNG-模型预测的轴向速度和
15、切向速度分布是不真实的，不适用于旋流分离的流场，而雷诺应力输运模型RSTM的预测与所有3个涡旋量的测定轮廓趋势非常吻合，尽管正常湍流应力比预测的高，还有些差异需要进一步改进。F.M.Erdal采用商业CFX软件，分别用标准-模型和RSM模型对GLCC内部重相气液旋流场进行了CFD研究，并与LDV实验测量结果进行了对照，模拟显示在旋流器内最高的切向速度在进口处，且这一较高的切向速度隧轴向和径向衰减，轴向速度显示2个区域：中心附近向上流动的区域和壁面附近向下流动的区域，模拟结果与LDV实验测量的速度分布趋势非常相似，而且与实验测量结果比较发现：校准-模型模拟的切向速度结果比实际测量的高，它描述了一
16、个较高的旋转流动，而RSM模型模拟的切向速度结果比测量的低，L.E.Gomez在颗粒轨迹分布进行了数值模拟计算，并预测了GLCC中气泡夹带和操作性能情况。7.3.2 模型的选择本次所设计的旋风分离器是用来从气相中分离液相，而液相的体积分数只占到了1%，故此，离散相模型比较适合。在FLUENT 中的离散相模型假定第二相（分散相）非常稀薄，因而颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。这种假定意味着分散相的体积分数必然很低，一般说来要小于10-12%。但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即用户可以模拟分散相质量流率等/大于连续相的流动。并且，随机轨道模型或颗粒群模型可考虑颗粒湍流扩散的影响。在随机轨道模型中，通过应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。而颗粒群模型则是跟踪由统计平均决定的一个“平均”轨道。颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率分布函数（PDF） 。两种模型中，颗粒对连续相湍流的生成与耗散均没有直接影响。稳态拉氏离散相模型适用于具有确切
