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1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第八节：物理模型安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China概要多相流模型Discrete phase modelEulerian modelMixture modelVolume-of-fluid model化学反应模型Eddy dissipation modelNon-premixed, premixed and partially premixed combustion modelsDetailed chemistry modelsPollut
2、ant formationSurface reactions动网格Single and multiple reference framesMixing planesSliding meshesDynamic meshesSix-degree-of-freedom solverA Pera Global Company PERA China多相流模型A Pera Global Company PERA China简介相具有可定义的边界，对周围流场有特定的动力响应 相一般分为固体、液体和气体，但也指其他形式：有不同化学属性的材料，但属于同一种物理相（如液-液）多相流体系统分为一种主流体相和多种次流
3、体相其中一种流体是连续的（主流体）其他相是离散的，存在于连续相中可以有多种次流体相，代表不同尺寸的颗粒Primary PhaseSecondary phase(s)A Pera Global Company PERA China多相流体系气泡流 连续液体中存在离散的气泡，如气体吸收器，蒸发设备，鼓泡设备液滴流 连续气体中的离散液滴，如喷雾器、燃烧器柱塞流 连续液体中的大尺度气泡分层 / 自由表面流 不相溶的流体被清晰的界面分开，如自由表面流颗粒流 连续气体中的离散固体颗粒，如旋风分离器，空气净化器，吸尘器流化床 流化床反应器泥浆流 液体中的固体颗粒，固体悬浮、沉积、液力输运气气/液液液液/液液
4、气气/固固液液/固固Pneumatic Transport,Hydrotransport, or Slurry FlowFluidized BedSedimentationStratified / Free-Surface FlowSlug FlowBubbly, Droplet, orParticle-Laden FlowA Pera Global Company PERA ChinaFLUENT中的多相流模型FLUENT 包括四种不同的多相流模型:Discrete Phase Model (DPM) Volume of Fluid Model (VOF)Eulerian ModelMixt
5、ure Model选择合适的模型非常重要取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个区别Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例）也应该考虑进来where and .A Pera Global Company PERA ChinaDPM 例子-喷雾干燥喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中，用DPM模拟流动、传热、传质过程Contours of Evaporated WaterStochastic Particle Trajectories for Different Initial DiametersInitial particleDiameter: 2 mm0.2
6、mm1.1 mmA Pera Global Company PERA China欧拉模型的例子 三维气泡床Liquid Velocity Vectors Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175z = 5 cmz = 10 cmz = 15 cmz = 20 cmA Pera Global Company PERA China欧拉模型中的粒状选项当存在高浓度的固体颗粒时，会导致颗粒间高频率的碰撞，此时应选Granular假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞行为，对颗粒相使用分子云理论应用这个理论后，连续相和颗粒相的动量方程都增加了附加应力这些应力 (颗
7、粒 “粘性”, “压力” 等.) 由颗粒速度脉动强度确定伴随颗粒速度脉动的动能由拟热“pseudo-thermal” 或颗粒温度代表不考虑颗粒的弹性变形Contours of Solids VolumeFraction for High VelocityGas/Sand ProductionGas / SandGasGravityA Pera Global Company PERA China混合模型案例 气体鼓泡用混合模型模拟氮气喷入混合器中的流动，用MRF方法模拟旋转叶片的效应FLUENT 很好的模拟了气体的停顿和搅动过程。Animation of Gas Volume Fraction
8、ContoursWater Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec.A Pera Global Company PERA ChinaVOF 案例 汽车油箱晃动模拟不同加速条件下，液体在汽车油箱中的自由液面晃动模拟显示油箱底部的挡板可以保持入油口浸没在油中，如果没有挡板时，入油口在某些时间会露出油面Fuel Tank Without Bafflest = 1.05 sect = 2.05 secFuel Tank With BafflesA Pera Global Company PERA China化学反应流A Pera Global
9、 Company PERA ChinaTemperature in a Gas FurnaceCO2 Mass FractionStream Function化学反应流的应用FLUENT 包含了从计算均相反应到非均相反应的多个反应模型炉子锅炉热处理炉燃气轮机火箭发动机内燃机CVD, 催化反应反应流一般预测流动和混合温度组分浓度颗粒和污染A Pera Global Company PERA China背景知识模拟燃烧中的化学反应 快速化学反应全局化学反应机理（有限速率/涡耗散）平衡/小火焰模型（混合分数）有限速率反应 流动结构非预混反应系统可简化为混合系统预混反应系统冷态反应物传播到热的生成物中
10、.Partially premixed systemsReacting system with both non-premixed and premixed inlet streams.FuelOxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorSecondaryFuel or OxidizerOutletA Pera Global Company PERA China化学反应化学反应流动结构流动结构PremixedNon-PremixedPartially PremixedFast ChemistryEddy
11、Dissipation Model(Species Transport)Premixed Combustion ModelNon-Premixed Equilibrium ModelPartially Premixed ModelReaction Progress Variable*Mixture FractionReaction Progress Variable+Mixture FractionFinite-Rate ChemistryLaminar Flamelet ModelLaminar Finite-Rate ModelEddy-Dissipation Concept (EDC)
12、ModelComposition PDF Transport ModelFLUENT中反应流模型A Pera Global Company PERA China污染物模型NOx 形成模型（预测定性的 NOx 形成趋势）FLUENT 包括三种 NOx 产生机理Thermal NOx Prompt NOxFuel NOxNOx 还原模型选择性非催化还原模型 (SNCR) l喷入氨水或尿素烟灰形成模型Moos-Brookes 模型一步模型，两步模型烟灰对辐射吸收的影响SOx 形成模型求解SO2, H2S, 或者SO3 方程一般 SOx 预测都作为后处理过程来进行A Pera Global Compa
13、ny PERA ChinaDPM模型描述颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为单个颗粒的互相影响被忽略离散相体积分数必须小于10多个子模型离散相的加热/冷却液滴的蒸发和沸腾可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧喷雾模型模拟液滴破碎和聚合磨损/增长应用范围颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃烧.A Pera Global Company PERA China表面反应对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组分不同的另外一种组分对每个吸收表面组分求解地点平衡方程可以考虑详细表面反应
14、机理（任意的多步反应，任意数量的气相组分/沉积组分）CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT.表面反应可以在壁面或多孔介质中发生可以在不同的表面定义不同的表面反应机理应用案例催化反应CVD（化学沉积）A Pera Global Company PERA China总结对反应流动，有四个基础的教程组分传输和气相燃烧非预混燃烧表面化学反应液滴挥发A Pera Global Company PERA China动网格A Pera Global Company PERA China动网格简介许多问题需要考虑平移或旋转的部件对移动域，有两种基本的模型方法:运动的参考坐标系参考坐标系和运动域
15、联系在一起修正控制方程来考虑运动坐标系运动/变形域域的位置和形状在静止坐标系下跟踪求解本质上是瞬态的A Pera Global Company PERA China运动域的CFD模型方法单参考坐标系单参考坐标系(SRF)多参考坐标系多参考坐标系(MRF)混合平面法混合平面法(MPM)滑移网格滑移网格 (SMM)运动坐标系运动坐标系运动域运动域运动运动 / 变形网变形网格格 (MDM)A Pera Global Company PERA China单参考坐标系模型(SRF)SRF 把单一的运动域和一个坐标系连接起来所有的流体域在运动坐标系下定义旋转坐标系引入了附件加速度为什么要使用运动坐标系?在
16、静止坐标系下流场是瞬态的，使用旋转坐标系后流场可以看做稳态的优势用稳态方法求解*边界条件更简单调试更快捷更容易的后处理的分析CentrifugalCompressor(single blade passage)*注意: 在旋转坐标系下有时依然有瞬态现象，如湍流、周期非平衡、分离、涡脱落等A Pera Global Company PERA China多参考坐标系模型(MRF)包括有静止域和运动域的多域问题，此时，单参考坐标系不适合这类系统可以这样处理：把域分割为多个域：一些域旋转，一些域静止域之间通过交界面传递数据对交界面的处理方式分为以下几种：多参考坐标系模型(MRF)混合平面模型(MPM)
17、滑移网格模型(SMM)interfaceMultiple Component(blower wheel + casing)稳态（近似）稳态（近似）瞬态（精确）瞬态（精确）A Pera Global Company PERA China混合平面模型(MPM)MPM方法是对多级轴流和离心旋转机械的稳态解法也适用于其他一般问题域有多个单通道、旋转或静止流体域组成每个域有自己的进口、出口、壁面和周期边界（每个域是一个SRF模型）对每个域求解稳态的 SRF，通过边界条件链接各个域链接域的边界称为混合平面通过混合平面的变量是周向平均值，随每步迭代更新分布可以是径向或轴向求解收敛后，混合平面将调整为一般流动
18、条件Mixing plane(Pressure outlet linked with a mass flow inlet)MPM的优势的优势:只需要一个流道，和叶片数量无关只需要一个流道，和叶片数量无关A Pera Global Company PERA China滑移网格模型(SMM)旋转机械中，静止部件和旋转部件的相对运动导致瞬态相互作用，一般分为以下几种：位差相互作用(压力波相互作用)尾迹相互作用激波相互作用MRF 和MPM 模型都忽略了瞬态相互作用，仅限于瞬态效应小的流动如果瞬态效应不能忽略，可以使用SMM方法考虑静止部件和旋转部件的相对运动wake interactionShocki
19、nteractionpotential interactionStatorRotorA Pera Global Company PERA ChinaSMM模型如何工作和 MRF 模型类似的是，计算域分为运动域和静止域，由非一致网格界面连接和 MRF 模型不同的是，每个域的网格是时间的函数，随时间改变，这样使得问题本身就是瞬态的。另一个和 MRF 模型不同之处是，控制方程有新的动网格形式，在静止坐标系下求解绝对量没有使用运动坐标系形式（例如，动量方程源项中没有附加加速度的作用）方程组是通用的运动/变形网格形式的一种特殊情况假设为刚性网格运动和滑移，非一致网格界面cells at time tce
20、lls at time t + tmoving mesh zoneA Pera Global Company PERA China动网格方法(DM)内部节点位置随着边界的运动自动计算基本格式弹簧式 (光顺)局部重新划分层铺式其他方法2.5 D用户定义网格运动内燃机网格运动 (RPM, stroke length, crank angle, )通过分布或UDF预先定义的运动通过6DOF求解器，把流场求解的气动力和运动耦合起来A Pera Global Company PERA China动网格方法层铺法层铺法随着边界的移动，单元层生随着边界的移动，单元层生成或消失。单元层可以是四成或消失。单元层
21、可以是四边形边形/六面体六面体/四面体类型，四面体类型，适合边界在小范围或大范围适合边界在小范围或大范围内的线性或旋转运动内的线性或旋转运动局部重划法局部重划法随着边界移动，网格扭曲大随着边界移动，网格扭曲大的区域网格重新划分。适用的区域网格重新划分。适用于三角形于三角形/四面体网格类型，四面体网格类型，边界运动范围大。边界运动范围大。弹簧式弹簧式弹簧式适用于小范围的边界变弹簧式适用于小范围的边界变形，单元的连接和数量不变，形，单元的连接和数量不变，弹簧式适用于小范围变形的三弹簧式适用于小范围变形的三角形角形/四面体网格四面体网格A Pera Global Company PERA China动网格模型FLUENT引入动网格模型来移动边界，并调整网格例子:内燃机汽缸内的活塞运动容积泵机翼摆动阀门开关过程动脉扩张和收缩A Pera Global Company PERA China总结模拟运动部件有五种方法单参考坐标系法多参考坐标系法混合平面法滑移网格法动网格法前三种方法主要用于稳态，而滑移网格和动网格本质是瞬态的要激活这些模型，将流体域由固定改为动坐标系或动网格设置大多数物理模型和动坐标系或动网格法兼容（如多相流、燃烧、传热等）谢谢A Pera Global Company PERA China
