Fluent：多相流模型（一）——模型概念

2017-01-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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,基本思想是考察空間一個點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介質。各相的體積率是時間和空間的連續函數,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,假設計算的每個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表示流體自由面的位置和流體所占的體積,其方法占內存小,是一種簡單而有效的方法。

VOF模型在應用的過程中存在某些局限性:

(1)在利用該模型進行模擬時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的區域;

(2)只允許一相流體是可壓縮的;

(3)很難對具有混合物料和反應存在的流動進行模擬;

(4)相間存在較大速度差時,界面的速度精度會受到很大的影響;

2. 混合模型(Mixture Model)

混合模型(Mixture Model)是一種簡化的兩(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。同時也用于模擬有強烈藕合的各向同性相流和各相以相度運動的兩(多)相流。混合模型可以通過求解混合相的動量、連續性和能量,第二相的體積分率方程,以及相對速度的代數表達式模擬多相(fluldorculate)。

典型的應用包括低負載的粒子負載流,沉降,旋風分離器以及氣相容很低的泡狀流。混合物模型也可用于沒有離散相相對速度的均勻多相流。

用混合特性參數描述的兩相流場的場方程組稱為混合模型。

考慮了界面傳遞特性以及兩相間的擴散作用和脈動作用;使用了滑移速度的概念,允許相以不同的速度運動;

用于模擬各相有不同速度的多相流;也用于模擬有強烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運動的多相流;

缺點:界面特性包括不全,擴散和脈動特性難于處理。

3. 歐拉模型(Eulerian Model)

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

歐拉模型的應用包括氣泡柱、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數,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的速度、溫度及體積分數分布。

幾種多相流模型的選擇

VOF模型適合于分層流動或自由表面流;

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

Mixture模型和Eulerian模型區別

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

當考慮計算域內的interphase drag laws時,Eulerian模型通常比Mixture模型能給出更精確的。

從計算時間和計算精度上考慮。

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拉格朗日法

著眼于流體的質點,基本思想是跟蹤每個流體質點在流動過程中的運動全過程,記錄每個質點在每一時刻、每一位置的各個物理量及變化。在拉格朗日方法中,

FLUENT將主體相視為連續相,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、粘度及湍流擴散稀疏參數,并在拉格朗日坐標系中考察離散相顆粒的運動軌跡。該模型能詳細地分析粒子/液滴間的作用力以及流體間復雜的作用力,避免了應用大量的經驗關系,又避免了離散相數值解的擴散問題,雖然計算量龐大,但是相對歐拉模型來講,精度要更高一些。比較了各種模型,認為離散相模型能更準確地模擬氣—固兩相流動,能更好的跟蹤固體顆粒、氣泡、液滴在連續相中運動軌跡。

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