FLUENT中文帮助-第十九章.pdf
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1、 FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 1 - 译文说明 ? 本文依据 FLUENT6.0 的 HELP 文件翻译而成。事先并未征得原文版权所有者 FLUENT 公司或其在中国代理人海基公司的同意。 ? 本文的写作目的仅在于为在教育与科研领域从事研究工作的人员提供参考与帮助, 无意 于将其用于商业目的。 ? 对本文在教育与科研领域的转移、存储、复制,本文作者不提供基于任何商业目的或有 损于原文版权所有者的利益、形象等权益的帮助或便利。 ? 对出于研究与教学目的人员或机构,中文翻译者愿意并尽其可能的提供帮助、商议或回 应其它形式的要求。 ? 一旦原文(英文)版权所有者对中文译文的发布提
2、出异议并明确通知译文作者,同时援 引有效、适用的法律、法规条款,译文作者愿意立刻终止其为本文的发布、传播而所作 出的一切形式努力。 注:本文以 A D O B E公司的 P D F格式发布。如需要相应中文 W O R D格式文档,请发邮件到 w e s t _ w i n g s o h u . c o m . FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 2 - 用户指南 如何使用本手册 扩展内容 1 开始 2 用户界面 3 读/写文件 4 单位制 5 读入与操作网格 6 边界条件 7 物理属性 8 模拟基本的流动 9 模拟运动区域的流动 10 模拟湍流 11 模拟传热 12 组分输运与化
3、学反应流动的模拟介绍 13 模拟组分输运与有限速率反应 14 模拟非预混燃烧 15 模拟预混燃烧 16 模拟部分预混燃烧 17 模拟污染物生成 18 模拟多相流动 19 离散相模型 20 多相流模型概览 21 模拟凝固与熔化 22 求解器的使用 23 自适应网格技术 24 创建用于数据显示输出的表面 25 数据的可视化 26 输出文本形式数据的信息 27 流场计算中变量的定义 28 并行计算 29 菜单操作指南 符号说明 参考文献 索引 FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 3 - 19离散相模型 本章介绍 FLUENT 中可供选择的拉格朗日离散相模型及其使用方法。 本章内容的组织如
4、下: ? 19.1 离散相模型概述与应用范围 ? 19.2 离散相的轨道计算 ? 19.3 传热与传质的计算 ? 19.4 射流(雾化)模型 ? 19.5 连续相与离散相的相间耦合 ? 19.6 离散相模型的使用方法概述 ? 19.7 离散相模型的选择 ? 19.8 非稳态颗粒的计算 ? 19.9 离散相的初始条件设定 ? 19.10 离散相的边界条件设定 ? 19.11 离散相的介质属性设定 ? 19.12 离散相的计算过程 ? 19.13 离散相的后处理 FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 4 - 19.1 离散相模型概览与其应用范围 ? 19.1.1 简介 ? 19.1.2
5、湍流中的颗粒处理方法 ? 19.1.3 应用范围 ? 19.1.4 离散相模型的求解过程概述 19.1.1 简介 除了求解连续相的输运方程,FLUENT 也可以在拉氏坐标下模拟流场中离散的第 二相。由球形颗粒(代表液滴或气泡)构成的第二相分布在连续相中。FLUENT 可以 计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量/质量传递。相间耦合以及耦合结果对离散 相轨道、连续相流动的影响均可考虑进去。 FLUENT 提供的离散相模型选择如下: ? 对稳态与非稳态流动,可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性、曳力、重力 ? 预报连续相中,由于湍流涡旋的作用而对颗粒造成的影响 ? 离散相的加热/冷却 ? 液滴的蒸发与
6、沸腾 ? 颗粒燃烧模型,包括挥发份析出以及焦炭燃烧模型(因而可以模拟煤粉燃烧) ? 连续相与离散相间的耦合 ? 液滴的迸裂与合并 应用这些模型,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。 19.2- 19.5 介绍离散相计算中所用到的物理方程;设定、求解和后处理在 19.6- 19.13 中介 绍。 19.1.2 湍流中的颗粒 随机轨道模型或颗粒群模型(19.2.2)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(19.2.2)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
7、跟踪由统计平均决定的一个“平均”轨道(19.2.2) 。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。 19.1.3 应用范围 颗粒体积分数的适用范围 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。参阅第十八、二十章来确定具体多相 流问题中的适用模型。 模拟连续相中悬浮颗
8、粒的限制 稳态拉氏离散相模型适用于具有确切定义的入口与出口边界条件问题, 不适用于模 拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题,这类问题经常出现在处理封闭体系中的悬浮颗 粒过程中,包括:搅拌釜、混合器、流化床。但是,非稳态颗粒离散相模型可以处理此 类问题。参阅第十八、二十章来确定具体多相流问题中的适用模型。 在 FLUENT 的其它模型中应用离散相模型的限制 一旦使用了离散相模型,下面的模型将不能使用: ? 选择了离散相模型后,不能再使用周期性边界条件(无论是质量流率还是压差边界 FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 5 - 条件) ? 可调整时间步长方法不能与离散相模型同时使用 ? 预混
9、燃烧模型中只能使用非反应颗粒模型 ? 同时选择了多参考坐标系与离散相颗粒模型时,在缺省情况下,颗粒轨道的显示失 却了其原有意义;同样,相间耦合计算是没有意义的。 在多参考坐标系下跟踪颗粒以及计算相间耦合的解决办法是选择基于流体的 绝 对 速 度 而 不 是 相 对 速 度 。 相 应 的 调 整 如 下 : 在 文 本 命 令 窗 口 下 d e f i n e / m o d e l s / d p m / t r a c k i n g / t r a c k - i n - a b s o l u t e - f r a m e 。应该指出的是,在基 于绝对速度跟踪颗粒时,可能引起不合理
10、的颗粒- 壁面相互作用。 颗粒的喷入速度(在 Set Injection Properties 面板里设定)是基于参考坐标而定 义的,因而,颗粒的跟踪也是基于这个设定的坐标。缺省情况下,颗粒的喷入速度 是基于当地坐标系。如果你激活了 track- in- absolute- frame 选项,那么,其喷入速度 将会是基于绝对坐标系定义的速度。 19.1.4 离散相模型的求解过程概述 在 FLUENT 模型中,你可以通过定义颗粒的初始位置、速度、尺寸以及每个(种) 颗粒的温度来使用此模型。依据对颗粒物理属性的定义而确定的颗粒初始条件可以用来 初始化颗粒的轨道和传热质计算。当颗粒穿过流体运动时,颗
11、粒的轨道以及传热量、 传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流辐射引起的热量质量 传递来进行计算。可通过图形化界面或文本界面输出计算出的颗粒轨道以及相应的传热 质量。 既可以通过在一个固定的流场中(非耦合方法)来预测离散相的分布,也可以在考 虑离散相对连续相有影响的流场(相间耦合方法)中考察颗粒的分布。相间耦合计算中, 离散相的存在影响了连续相的流场,而连续相的流场反过来又影响了离散相的分布。可 以交替计算连续相和离散相直到两相的计算结果都达到收敛标准。细节请参阅 19.5。 稳态问题的求解步骤 稳态离散相问题的设定、求解的一般过程如下: 1 求解连续相流场 2 创建离散相喷射源
12、(射流源) 3 求解耦合流动(如果希望计算的话) 4 用 PLOT 或 REPORT 图形界面来跟踪离散相 非稳态问题的求解步骤 非稳态离散相问题的设定、求解的一般过程如下: 1 创建离散相喷射入口 2 初始化流场 3 设定求解的时间步长和时间步数。在每个时间步,颗粒的位置将得到更新。如果求解 问题是非耦合流动,那么,颗粒的位置在每个时间步计算完成之后得到更新的;如果 是耦合流动,那么,颗粒的位置在每个时间步内的相间耦合迭代计算过程中都会得到 更新。 19.2 轨道的计算 ? 19.2.1 颗粒运动方程 ? 19.2.2 颗粒湍流扩散 ? 19.2.3 颗粒磨蚀与沉积 19.2.1 颗粒运动方
13、程 颗粒的力平衡 FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 6 - FLUENT 中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒(液滴或 气泡)的轨道。颗粒的作用力平衡方程(颗粒惯性作用在颗粒上的各种力)在笛卡尔坐 标系下的形式(方向)为: x p px pD p F g uuF dt du + += )( )( (19.2.1) 其中)( pD uuF为颗粒的单位质量曳力,其中 24 Re18 2 D pp D C d F = (19.2.2) 其中,u 为流体相速度, p u为颗粒速度,为流体动力粘度,为流体密度, p 为颗 粒密度(骨架密度) , p d为颗粒直径,Re
14、为相对雷诺数(颗粒雷诺数) ,其定义为: | Re uud pp (19.2.3) 曳力系数 D C可采用如下的表达式: ReRe 22 1 aa aCD+= (19.2.4) 对于球形颗粒,在一定的雷诺数范围内,上式中的 321 ,aaa为常数Morsi and Alexander 163 。 D C也可采用如下的表达式: Re Re )Re1( Re 24 4 3 1 2 + += b b bC b D (19.2.5) 其中; )8855.157322.202584.124681. 1exp( )2599.104222.188944.13905. 4exp( 5565. 00964. 0
15、 )4486. 24581. 63288. 2exp( 32 4 32 3 2 2 1 += += += += b b b b (19.2.6) 上式是由 Haider and Levenspiel 85得到的。形状系数的定义如下: S s = (19.2.7) 其中s为与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒的表面积,S为实际颗粒的表面积。 (索太尔 中径 32 S) 。 对于亚观尺度(直径微米)的颗粒,Stokes曳力公式 170是适用的。这种情况 下, D F定义为: FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 7 - cpp D Cd F 2 18 = (19.2.8) 上式中的系数 c
16、C为 Stokes曳力公式的 Cunningham 修正 (考虑稀薄气体力学的颗粒壁面速 度滑移的修正) ,其计算公式为: ) )2/1. 1( 4 . 0257. 1 ( 2 1 p d p c e d C += (19.2.9) 其中为气体分子平均自由程。 FLUENT 中也包含有大马赫数流动时的颗粒曳力公式。这个曳力公式的形式与球形颗粒的 相应表达式(方程 19.2- 4)类似,但包含了部分修正 38以适应颗粒马赫数大于 0.4 或颗 粒雷诺数大于 20 的流动。 对于涉及到离散相液滴迸裂的非稳态流动模型,可以使用动态曳力公式模型。关于这个模 型公式的详细介绍请参阅 19.4.4。 关于
17、如何选择各种曳力模型请参阅 19.7.7。 考虑重力的影响 尽管方程 19.2- 1 包含有重力的影响,在 FLUENT 的缺省模式下,重力加速度等于零。如果 要考虑重力的影响,必须在 Operating Conditions 面板中设定重力加速度的大小和方向。 其它作用力 颗粒平衡方程 19.2- 1 中包含的其它作用力 x F在某些情况下可能很重要。这些“其它”作 用力中的最重要的一项是所谓的“视质量力” (附加质量力) 。它是由于要使颗粒周围流体 加速而引起的附加作用力。视质量力的表达式为: )( 2 1 p p x uu dt d F= (19.2.10) 当 p 时,视质量力不容忽视
18、。流场中存在的流体压力梯度引起的附加作用力为: x u uF p p x = (19.2.11) 旋转参考坐标系下颗粒受到的作用力 颗粒平衡方程 19.2- 1 中的其它作用力 x F还包括由于参考坐标系的旋转引起的作用力。当 模拟旋转参考坐标系下的流动时(参阅 9.2)就会引起附加作用力。例如,当定义了围绕z 轴旋转速度的时候,在笛卡尔坐标系下,yx和轴方向的附加作用力为: + y p py p uux , 2 21 (19.2.12) 其中 ypy uu和 , 分别是颗粒与流体在 y 轴方向的速度。 FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 8 - + x p px p uuy ,
19、2 21 (19.2.13) 其中 xpx uu和 , 分别是颗粒与流体在 x 轴方向的速度。 热泳力(热致迁移力或辐射力) 对于悬浮在具有温度梯度的气体流场中的颗粒,受到一个与温度梯度相反的作用力。这种 现象被称为热泳。颗粒平衡方程 19.2- 1 中的其它作用力 x F可包含这种热泳力: x T Tm DF p pTx = 1 , (19.2.14) 其中 pT D , 为热泳力系数。可以定义为常数、多项表达式或用户定义函数。也可以采用 Talbot 237得到的表达式: ()()x T TmKnCKKnC KnCKCd F ptm tsp x + + = 1 22131 )(6 2 (1
20、9.2.15) 其中: p dKnudsenKn2=数 气体平均分子自由程= p kkK = Rk)(体热导热率基于气体平动动能的气4/15= 颗粒导热率= p k 17 . 1 = S C 18 . 2 = t C 14 . 1 = m C 颗粒质量= p m 当地流体温度=T 气体动力粘度= 上面的公式均假定颗粒为球形,气体为理想气体。 布朗力 对于亚观粒子,附加作用力可包括布朗力。布朗力的分量可由高斯白噪声过程来模拟,其 FLUENT 第十九章中文帮助 west_ - 9 - 谱密度 ijn S , 由文献 135给出: ijijn SS 0. = (19.2.16) 其中 ij 为克罗
21、内克尔(符号)函数。 c p p Cd T S 2 52 0 216 = (19.2.17) T为气体的绝对温度,为气体的运动粘度,为 Stefan- Boltzmann 常数。布朗力分量幅 值为: t S F ibi = 0 (19.2.18) 其中 i 为期望为 0、方差为 1 的独立高斯概率分布(正态分布)随机数。在每一个时间步, 布朗力分量幅值都要重新进行计算。为考虑布朗力的影响,必须要激活能量方程选项。只 有选择了非湍流模型才能激活布朗力选项。 Saffman 升力 在附加力中也可以考虑由于横向速度梯度(剪切层流动)引致的 Saffman 升力。这里使用 的表达式是由 Li 和 Ah
22、madi 135提出的,Saffman 196给出了这种升力的一般表达式: () p kllkpp ij vv ddd dK F ? ? = 41 21 )( 2 (19.2.19) 其中594. 2=K, ij d为流体变形速率张量。这个升力表达式仅对较小的颗粒雷诺数流动 适用。并且,基于颗粒- 流体速度差的颗粒雷诺数必须要小于基于剪切层(厚度)的颗粒雷 诺数的平方根( p p pp p uuluud (19.3.11) 蒸发定律适用的起始温度由设定的温度 vap T所决定。作为一个设定值, vap T并没有其它的物 理涵义。需要注意的是,一旦液滴的蒸发开始(液滴温度达到了门槛值)之后,即使
23、颗粒的 温度又低于 vap T,在计算中仍然使用这个定律。只有液滴的温度低于露点温度时,蒸发才会 停止。在这种情况下( vapp TT (19.3.19) 当液滴温度达到沸点温度时,沸腾蒸发速率方程 120为: () () () + = fg pp d ppp p h TTc dc k dt dd , , 1lnRe23. 01 4 (19.3.20) 其中: = , p c气相(定压)比热(J/kg- K) = p 液滴密度(kg/m3) = k气相导热率(W/m- K) 方程 19.3- 20 在推导过程中假定液滴处于等压、稳态流动状态。需要注意的是,在沸腾定律 适用的范围内,若有沸腾现象
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