Fluent：多相流模型（一）——模型概念

2017-01-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

FLUENT中描述兩相流的兩種方法:歐拉一歐拉法和歐拉一拉格朗日法,后面分別簡(jiǎn)稱歐拉法和拉格朗日法。歐拉法即為兩相流模型,拉格朗日法即為離散相模型。

歐拉法著眼于空間的點(diǎn),基本思想是考察空間一個(gè)點(diǎn)上的物理量及其變化。在歐拉方法中,FLUENT將不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。各相的體積率是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù),其體積分率之等于1。歐拉法中兩相流模型包括:VOF(the volume of fluid)模型、混合模型、歐拉一歐拉模型。

VOF模型 (Volume of Fluid Model)

混合模型 (Mixture Model)

歐拉模型 (Eulerian Model)

1. VOF模型(Volume of Fluid Model)

VOF模型用來處理沒有相互穿插的多相流問題,在處理兩相流中,假設(shè)計(jì)算的每個(gè)控制容積中第一相的體積含量為α1,如果α1=0,表示該控制容積中不含第一相,如果α1=1

,則表示該控制容積中只含有第一相,如果0<</span>α1<1,表示該控制容積中有兩相交界面;

VOF方法是用體積率函數(shù)表示流體自由面的位置和流體所占的體積,其方法占內(nèi)存小,是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。

VOF模型在應(yīng)用的過程中存在某些局限性:

(1)在利用該模型進(jìn)行模擬時(shí)要求所有的控制體積必須被任何一種流體相或混合相所填滿,即不能存在無流體流動(dòng)的區(qū)域;

(2)只允許一相流體是可壓縮的;

(3)很難對(duì)具有混合物料和反應(yīng)存在的流動(dòng)進(jìn)行模擬;

(4)相間存在較大速度差時(shí),界面的速度精度會(huì)受到很大的影響;

2. 混合模型(Mixture Model)

混合模型(Mixture Model)是一種簡(jiǎn)化的兩(多)相流模型,它使用單流體方用于模擬各相有不同速度的兩(多)相流,但是假定了在短空間尺度上局部的, 相之間的耦合很強(qiáng)。同時(shí)也用于模擬有強(qiáng)烈藕合的各向同性相流和各相以相度運(yùn)動(dòng)的兩(多)相流?；旌夏Ｐ涂梢酝ㄟ^求解混合相的動(dòng)量、連續(xù)性和能量,第二相的體積分率方程,以及相對(duì)速度的代數(shù)表達(dá)式模擬多相(fluldorculate)。

典型的應(yīng)用包括低負(fù)載的粒子負(fù)載流,沉降,旋風(fēng)分離器以及氣相容很低的泡狀流?；旌衔锬Ｐ鸵部捎糜跊]有離散相相對(duì)速度的均勻多相流。

用混合特性參數(shù)描述的兩相流場(chǎng)的場(chǎng)方程組稱為混合模型。

考慮了界面?zhèn)鬟f特性以及兩相間的擴(kuò)散作用和脈動(dòng)作用;使用了滑移速度的概念,允許相以不同的速度運(yùn)動(dòng);

用于模擬各相有不同速度的多相流;也用于模擬有強(qiáng)烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的多相流;

缺點(diǎn):界面特性包括不全,擴(kuò)散和脈動(dòng)特性難于處理。

3. 歐拉模型(Eulerian Model)

歐拉一歐拉模型(Euler-Euler Model)是兩(多)相流中最復(fù)雜的兩(多)相流模型,也稱為雙流體模型。連續(xù)相與分散相被視為連續(xù)的一體。歐拉一歐拉模型對(duì)每一相都建立動(dòng)量方程和連續(xù)性方程, 通過壓力和相間交換系數(shù)的藕合來計(jì)算求解。

歐拉模型的應(yīng)用包括氣泡柱、顆粒懸浮以及流化床的模擬。有人將其成功地應(yīng)用歐拉-模型模擬了鼓泡塔中兩(多)相流的模擬及氣泡聚并和破碎的影響。

歐拉模型指的是歐拉—歐拉模型;

把顆粒和氣體看成兩種流體,空間各點(diǎn)都有這兩種流體各自不同的速度、溫度和密度,這些流體其存在同一空間并相互滲透,但各有不同的體積分?jǐn)?shù),相互間有滑移;

顆粒群與氣體有相互作用,并且顆粒與顆粒之間相互作用,顆粒群紊流輸運(yùn)取決于與氣相間的相互作用而不是顆粒間的相互作用;

各顆粒相在空間中有連續(xù)的速度、溫度及體積分?jǐn)?shù)分布。

幾種多相流模型的選擇

VOF模型適合于分層流動(dòng)或自由表面流;

Mixture和Eulerian模型適合于流動(dòng)中有混合或分離,或者離散相的體積份額超過10%-12%的情況。

Mixture模型和Eulerian模型區(qū)別

如果離散相在計(jì)算域分布較廣,采用Mixture模型;如果離散相只集中在一部分,使用Eulerian模型;

當(dāng)考慮計(jì)算域內(nèi)的interphase drag laws時(shí),Eulerian模型通常比Mixture模型能給出更精確的。

從計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度上考慮。

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拉格朗日法

著眼于流體的質(zhì)點(diǎn),基本思想是跟蹤每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)全過程,記錄每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每一時(shí)刻、每一位置的各個(gè)物理量及變化。在拉格朗日方法中,

FLUENT將主體相視為連續(xù)相,稀疏相視為離散顆粒,主體相用歐拉法, 而離散相利用拉格朗日法進(jìn)行粒子跟蹤, 這就是所謂的歐拉一拉格朗日模型。此模型中需要離散相體積含量不超過15%,

離散相和主體相都有自己的壓力、粘度及湍流擴(kuò)散稀疏參數(shù),并在拉格朗日坐標(biāo)系中考察離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。該模型能詳細(xì)地分析粒子/液滴間的作用力以及流體間復(fù)雜的作用力,避免了應(yīng)用大量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,又避免了離散相數(shù)值解的擴(kuò)散問題,雖然計(jì)算量龐大,但是相對(duì)歐拉模型來講,精度要更高一些。比較了各種模型,認(rèn)為離散相模型能更準(zhǔn)確地模擬氣—固兩相流動(dòng),能更好的跟蹤固體顆粒、氣泡、液滴在連續(xù)相中運(yùn)動(dòng)軌跡。

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