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多相流模型多相流模型 FLUENT入门培训入门培训Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006简简 介介•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相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式:–具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相（例如：液体－液体，油－水）（例如：液体－液体，油－水）•液体由原相（液体由原相（primary）和次相的）和次相的混合相混合相（（secondary））组成组成–原相原相(primary)可以认为是连续介质可以认为是连续介质–次相次相 (secondary) 认为是分散在认为是分散在原相中原相中–可能有很多混合相以不同的大小分布可能有很多混合相以不同的大小分布在不同的位置在不同的位置•相反相反, 多组分流（成分输运）是一种可以用单一的速度和温度来定多组分流（成分输运）是一种可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动。

义所有成分的流动Primary PhaseSecondaryPhaseIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006FLUENT中的混合模型中的混合模型•粒子流模型粒子流模型–离散相模型离散相模型 (DPM)–混合相模型混合相模型–欧拉混合多相流模型欧拉混合多相流模型•层流模型层流模型–VOF模型模型DefineModelsMultiphase…DefinePhases…Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006离散相模型离散相模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006离散相模型离散相模型 (DPM)•拉格朗日计算方法下粒子拉格朗日计算方法下粒子/液滴液滴/气泡的轨迹。

气泡的轨迹–粒子可以通过连续气体介质交换热量、质量和动量粒子可以通过连续气体介质交换热量、质量和动量–每条轨迹都是由一组初始条件相同的粒子形成每条轨迹都是由一组初始条件相同的粒子形成–粒子与粒子间的相互作用可以忽略粒子与粒子间的相互作用可以忽略–可以使用随机轨迹或者可以使用随机轨迹或者“粒子云团粒子云团”来建立湍流散布模型来建立湍流散布模型•几种有效的子模型方法几种有效的子模型方法:–散布相的加热散布相的加热/冷却冷却–流体液滴的汽化和蒸发流体液滴的汽化和蒸发–燃烧粒子的挥发演变和燃烧燃烧粒子的挥发演变和燃烧–喷雾模型中液滴的分裂和融合喷雾模型中液滴的分裂和融合–腐蚀腐蚀/衍生衍生Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006DPM模型的适用条件模型的适用条件•流域流域: 气泡流气泡流, 液滴流液滴流, 粒子流粒子流•填充体积填充体积: 必须是分散型必须是分散型 (体积率体积率 < 12%)•填充粒子填充粒子: 少量到适中少量到适中•建立湍流模型建立湍流模型: 相之间的弱结合和强结合相之间的弱结合和强结合•Stokes数数: 所有所有 Stokes数数•案例案例–气旋气旋–喷雾干燥器喷雾干燥器–粒子的分离和分类粒子的分离和分类–浮质散布浮质散布–液体燃料液体燃料–媒的燃烧媒的燃烧Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006DPM 案例案例 – 喷雾干燥器仿真喷雾干燥器仿真•使用使用FLUENT中中DPM模型模拟仿真喷雾干模型模拟仿真喷雾干燥过程，包括液体喷燥过程，包括液体喷雾进入加热室接触干雾进入加热室接触干燥粉末时的流动，热燥粉末时的流动，热交换和质量交换。

交换和质量交换•优化喷雾干燥器中的优化喷雾干燥器中的不同参数时，不同参数时，CFD仿仿真技术起到不可或缺真技术起到不可或缺的作用Path Lines Indicating the Gas Flow FieldAir and methaneinletsCenterline forparticle injectionsOutletIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006喷雾干燥器仿真喷雾干燥器仿真 (2)Contours of Evaporated WaterStochastic Particle Trajectories for Different Initial DiametersInitial particleDiameter: 2 mm1.1 mm0.2 mmIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型欧拉多相模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型欧拉多相模型•欧拉多相模型是一种平均欧拉多相模型是一种平均N-S方程，可以计算任意粒子方程，可以计算任意粒子和连续相物质。

和连续相物质•结果是每相守恒方程的集合结果是每相守恒方程的集合 (连续相连续相 + N种粒子媒介种粒子媒介)•两相同时共存两相同时共存: 每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率等）＋分界面项度，导热率等）＋分界面项•分界面项包括动量（升力），热量和质量交换这些分界面项包括动量（升力），热量和质量交换这些方程很难收相交，因为都是些非线性的比例项，机械方程很难收相交，因为都是些非线性的比例项，机械上的（相间的速度差分），热上的（温度差分）上的（相间的速度差分），热上的（温度差分）•加上模型多种多样（湍流模型等）加上模型多种多样（湍流模型等）Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型中的粒状选项欧拉模型中的粒状选项•当含有高浓度的固体颗粒时，就会产生粒状流，粒子当含有高浓度的固体颗粒时，就会产生粒状流，粒子间的作用将时常发生间的作用将时常发生•粒子将被相似的考虑为有一定密度，分子相互碰撞的粒子将被相似的考虑为有一定密度，分子相互碰撞的云团组成粒子相需要考虑分子云团的概念云团组成粒子相需要考虑分子云团的概念。

•这个理论需要在连续相和粒子相的动量方程中增加表这个理论需要在连续相和粒子相的动量方程中增加表面附加项面附加项–粒子速度变化强度决定这些项粒子速度变化强度决定这些项 (粒状粒状 “粘性粘性”, “压力压力”等等) 的的大小–动能和粒子的速度变化表现为动能和粒子的速度变化表现为“假热（假热（pseudo-thermal））”或或者粒状温度者粒状温度–考虑进粒状项的不可伸缩性考虑进粒状项的不可伸缩性Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型的适用条件欧拉模型的适用条件•流域流域 气泡流气泡流, 液滴流液滴流, 泥浆流泥浆流, 流动层流动层, 粒子流粒子流•填充体积填充体积 稀释密度稀释密度•填充粒子填充粒子 低浓度到高浓度低浓度到高浓度•湍流模型湍流模型 相间的弱结合和强结合相间的弱结合和强结合•Stokes数数 所有所有•案例案例–高浓度粒子载流高浓度粒子载流–泥浆流泥浆流–沉淀沉淀–水力运输水力运输–流动层流动层–冒口冒口–填充层反应堆填充层反应堆Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型案例欧拉模型案例 – 三维气泡柱三维气泡柱Iso-Surface of Gas Volume Fraction = 0.175Liquid Velocity Vectors z = 5 cmz = 10 cmz = 15 cmz = 20 cmIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型案例欧拉模型案例 – 循环流动层循环流动层Contours of Solid Volume FractionIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006Courtesy of Fuller Company混合模型混合模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型混合模型•混合模型是一种建立多相流模型的简化欧拉方法。

混合模型是一种建立多相流模型的简化欧拉方法•简化的基础是假设简化的基础是假设 Stokes数非常小数非常小 (粒子和基础相的速粒子和基础相的速度大小相等，方向相同度大小相等，方向相同)•解算混合动量方程（平均质量混合速度）和得出描述解算混合动量方程（平均质量混合速度）和得出描述散布相的相对速度散布相的相对速度–界面间的物质传递和相对速度有关，这个代数关系建立在界面间的物质传递和相对速度有关，这个代数关系建立在St << 1 的情况下这也就表示分离的相不能使用混合模型来建的情况下这也就表示分离的相不能使用混合模型来建立–如果需要，混合模型中同样也能纳入湍流和能量方程如果需要，混合模型中同样也能纳入湍流和能量方程•为每个混合相解算相应的体积率输运方程为每个混合相解算相应的体积率输运方程•对气穴现象非常有效的子模型对气穴现象非常有效的子模型 (详细请参见附录详细请参见附录).Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型适用条件混合模型适用条件•流域流域: 气泡气泡, 液滴和液滴和 泥浆流泥浆流•体积载荷体积载荷: 分散适当密度分散适当密度•粒子载荷粒子载荷: 弱到中等弱到中等•湍流模型湍流模型: 相之间的弱作用相之间的弱作用•Stokes数数: St << 1•案例案例–水力漩流器水力漩流器–气泡柱状反应堆气泡柱状反应堆–固体悬浮液固体悬浮液–喷射气流喷射气流Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型案例混合模型案例 – 喷射气流喷射气流•使用混合模型模拟使用混合模型模拟仿真氮气喷射进入仿真氮气喷射进入搅动箱的过程，通搅动箱的过程，通过过MRF技术对旋转技术对旋转喷流叶片进行模拟喷流叶片进行模拟仿真。

仿真•FLUENT 模拟仿真对模拟仿真对搅动系统中的气流搅动系统中的气流截阻进行了很好的截阻进行了很好的预估Contours of Gas Volume Fraction at t = 15 sec.Water Velocity Vectors on a Central PlaneIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF模型模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF模型模型•VOF模型是设计用来计算两种或者多种不相容流体分模型是设计用来计算两种或者多种不相容流体分界面位置轨迹的方法界面位置轨迹的方法•轨迹是通过解算已经很成熟的连续相方程得到的－－轨迹是通过解算已经很成熟的连续相方程得到的－－通过求出体积分量中急剧变化的点来确定分界面的位通过求出体积分量中急剧变化的点来确定分界面的位置•通过使用混合材料属性来解算混合流体动量方程，因通过使用混合材料属性来解算混合流体动量方程，因此在分界面上，混合流体材料属性会有个跳跃此在分界面上，混合流体材料属性会有个跳跃。

•混合流体同样考虑了湍流方程和能量方程混合流体同样考虑了湍流方程和能量方程•表面张力和壁面效应都在考虑的范围之内表面张力和壁面效应都在考虑的范围之内•相是可压的，而且是混合物相是可压的，而且是混合物Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006分界面插值方法分界面插值方法•在在FLUENT中，为了获得表面流量，标准的插中，为了获得表面流量，标准的插值方法假设每个单元只有一种相值方法假设每个单元只有一种相•方法如下方法如下:–几何重建几何重建•默认的方法，只能应用与非定常流，不考虑数值默认的方法，只能应用与非定常流，不考虑数值差分，要求很高的网格质量差分，要求很高的网格质量–欧拉显式欧拉显式•只能应用与非定常流，在差的网格单元上有固定只能应用与非定常流，在差的网格单元上有固定的数值差分方法的数值差分方法 – 使用高阶使用高阶VOF离散（离散（high order VOF discretization）） (HRIC, CICSAM)–欧拉隐式欧拉隐式•定常和非定常都使用相同的求解器，在差的网格定常和非定常都使用相同的求解器，在差的网格单元上有固定的数值差分方法单元上有固定的数值差分方法 –使用高阶使用高阶VOF离离散散(HRIC, CICSAM)vaporliquidvaporliquidActual interface shapeGeo-reconstruct(piecewise linear)SchemeIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF模型的适用性模型的适用性•流域流域 活塞流，层流活塞流，层流/自由表面流自由表面流•体积载荷体积载荷 分散型和密集型分散型和密集型•粒子载荷粒子载荷 弱到强弱到强•湍流模型湍流模型 相之间的弱作用到中等作用相之间的弱作用到中等作用•Stokes数数 所有所有•案例案例–大型活塞流动大型活塞流动–倒水（倒水（ Filling ））–波浪（波浪（ Offshore separator sloshing ））–沸腾（沸腾（ Boiling ））–涂层（涂层（ Coating ））Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF模型案例模型案例 – 晃动的汽车油晃动的汽车油箱箱•在在FLUENT中使用中使用VOF模型，仿真模拟模型，仿真模拟各种加速环境下，汽各种加速环境下，汽车油箱中液体的晃动车油箱中液体的晃动（自由表面移动）。

自由表面移动）•通过仿真手段，我们通过仿真手段，我们可以看出，使用油箱可以看出，使用油箱底部隔板时（下图），底部隔板时（下图），始终能保持输油管口始终能保持输油管口淹没在油当中，而没淹没在油当中，而没使用隔板时（上图），使用隔板时（上图），输油管口则有时会露输油管口则有时会露在油面之上在油面之上Fuel Tank Without BafflesFuel Tank With Bafflest = 1.05 sect = 2.05 secIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF模型案例模型案例 – 水平薄膜状沸水平薄膜状沸腾腾Plots showing the rise of bubbles during the film boiling process (the contours of vapor volume fraction are shown in red)Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006概要概要•根据各人的需要，主要是从流动形态，体积载荷，粒根据各人的需要，主要是从流动形态，体积载荷，粒子载荷，湍流和子载荷，湍流和Stockes数方面，可以选择合适的模型。

数方面，可以选择合适的模型–使用使用VOF模型模拟自由表面流和层流模型模拟自由表面流和层流–使用欧拉粒状模型模拟高度粒子载荷流使用欧拉粒状模型模拟高度粒子载荷流–按按Stokes数从低到中，可以对粒子载荷流进行分类：数从低到中，可以对粒子载荷流进行分类：•如果如果St > 1, 混合模型不适用，但是我们可以使用混合模型不适用，但是我们可以使用DPM或者欧拉方法或者欧拉方法•如果如果St   1, 所有模型都适用，这时就需要考虑计算速度所有模型都适用，这时就需要考虑计算速度和其它的因素和其它的因素•减少低松弛因子可以更好的解决方程相之间的强结合减少低松弛因子可以更好的解决方程相之间的强结合问题•用户应该了解各种模型的优势和劣势用户应该了解各种模型的优势和劣势Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006附录附录Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006建立离散相模型建立离散相模型 (DPM)DefineModelsDiscrete Phase…DefineInjections…DisplayParticle Tracks…Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006DPM 模型边界条件模型边界条件•Escape•Trap•ReflectuWall-jetIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型方程混合模型方程•解算混合物连续性方程解算混合物连续性方程•解算每个混合相体积率之间的交换方程解算每个混合相体积率之间的交换方程•解算混合物动量方程解算混合物动量方程•混合属性的定义混合属性的定义Drift velocityIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型设置混合模型设置 (1)DefineModelsMultiphase…DefinePhases…Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006混合模型设置混合模型设置(2)•边界条件边界条件•为每个混合相设置体积率。

为每个混合相设置体积率•为定义相的初始位置，在为定义相的初始位置，在初始化后，设置相的体积初始化后，设置相的体积率Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006气穴模型气穴模型•气穴模型是模拟当本地流体压气穴模型是模拟当本地流体压力低于蒸汽压力时，气泡的形力低于蒸汽压力时，气泡的形态•气体是不可压缩的气体是不可压缩的•使用了质量守恒方程，来解决使用了质量守恒方程，来解决蒸汽相中蒸汽的产生和浓缩蒸汽相中蒸汽的产生和浓缩这些现象和当地压力，还有蒸这些现象和当地压力，还有蒸汽的饱和压力有关当存在汽的饱和压力有关当存在可压缩气体时要进行校正）可压缩气体时要进行校正）•通常使用混合模型，相反便使通常使用混合模型，相反便使用用VOF模型•指南中有对设置程序更加深入指南中有对设置程序更加深入的说明Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型方程欧拉多相模型方程•连续方程连续方程:•第第q 相的相的动量方程动量方程:•内部相力交换的表达式为内部相力交换的表达式为: 而且而且:•可以用同样的方法为第可以用同样的方法为第q相建立相建立能量方程能量方程transientconvectionpressureshearinterphaseforcesexchangeinterphase massexchangebodyexternal, lift, andvirtual mass forcesVolume fraction for the qth phaseSolids pressure term is included for granular model.Exchange coefficientIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉多相模型方程欧拉多相模型方程•第第q相中第相中第i种介质的多相介质传输种介质的多相介质传输•同类和不同类的反应，都使用和单相中相同的设置。

同类和不同类的反应，都使用和单相中相同的设置•属于不同的相中的介质可能相同，但是他们之间没有任何联系属于不同的相中的介质可能相同，但是他们之间没有任何联系transientconvectivediffusionhomogeneousreaction homogeneousproductionheterogeneousreactionMass fraction of species i in qth phaseIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉模型设置欧拉模型设置DefineModelsViscous…DefinePhases…Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006欧拉粒状模型设置欧拉粒状模型设置•当定义混合相时，粒状选项必须当定义混合相时，粒状选项必须是有效的是有效的•需要定义粒状的属性需要定义粒状的属性•为更好模拟粒状流，必须选上相为更好模拟粒状流，必须选上相间作用模型间作用模型Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006VOF 模型设置模型设置DefineModelsMultiphase…DefinePhases…DefineOperating Conditions…Operating Density should be set to that of lightest phase with body forces enabled.Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006不同种类反应设置不同种类反应设置DefinePhases…Introductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 December 2006适应多相的适应多相的UDF•当多相模型被选上时，便会留出当多相模型被选上时，便会留出混合物或者单独相的属性和变量混合物或者单独相的属性和变量存储空间。

存储空间–根据附加线和域数据结构的需要根据附加线和域数据结构的需要进行设置进行设置•大体上，大体上， DEFINE 宏的类型决定宏的类型决定了线或域（混合物或者相）传递了线或域（混合物或者相）传递给给UDF的数据•C_R(cell,thread) 中的中的thread 如果指向混合物，返回如果指向混合物，返回的便是混合物的密度，如果指向的便是混合物的密度，如果指向的是相，返回的便是相的密度的是相，返回的便是相的密度•数值宏用于取回数据数值宏用于取回数据Mixture ThreadMixture DomainPhase 2DomainPhase 1DomainPhase 3DomainPhaseThreadInteraction DomainDomain ID =23415Domain ID。