多相流动.ppt
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1、多相流动,多相流,多相流类型 两相流:气 - 液,液 - 液,气 - 固和液 -固 三相流 多相流:“相”可以定义为相同材料但对流场具有不同响应特性的物质,如不同尺寸的固体颗粒 多相流中的连续相与分散相 连续相: 分散相(非连续相、颗粒相、离散相):如固体颗粒、水泡、液滴等,多相流流型,气液或液-液两相流 泡状流(Bubble flow):连续液体体中的气泡 液雾流(Spray):连续气体中的离散液滴 弹状流(Slug flow):在连续流体中的大的气泡 分层流(Stratified flow):由明显的分界面隔开的非混合流体流动 波状流(Stratified wave flow) 塞状流(P
2、lug flow):在连续气体中的大的液滴 环状流(Annualr flow):中心液柱,环形气膜,气液两相流流型,多相流流型,气-固和液-固两相流 颗粒流(Particle flow):连续气体流动中有离散的固体粒子 气力输送、液力输送、泥浆流: 流化床 沉降运动,多相流流型,Multiphase Flow Regimes,多相系统的例子,气泡流:抽吸,通风,空气泵,气穴,蒸发,浮选,洗刷 液雾流:喷雾,燃烧室,低温泵,干燥机,蒸发,气冷 弹状流:管道或容器内有大尺度气泡的流动 分层自由面流动: 分离器中的晃动,核反应装置中的沸腾和冷凝 颗粒流动:旋风分离器,空气分类器,洗尘器,环境尘埃流动
3、 风力输运:水泥、谷粒和金属粉末的输运 流化床:流化床反应器,循环流化床 泥浆流: 泥浆输运,矿物处理 水力输运:矿物处理,生物医学及物理化学中的流体系统 沉降:矿物处理,多相流的理论方法与模型,经典的连续介质力学方法 单流体模型 混合物模型(修正的单流体模型,简化的多流体模型) 多(双)流体模型 颗粒动力学模型和分散颗粒群轨迹模型 建立在统计分子动力学基础上的分子动力学模拟方法 介观层次上的模拟方法,即格子 -Boltzmann方法,多相流连续介质力学模拟方法,Euler-Lagrange 方法 连续相的描述采用欧拉方法 分散相采用拉格朗日方法,通过对大量质点的运动方程进行积分运算得到其运动
4、轨迹。 例:Fluent离散相模型(Discrete phase model) Euler-Euler 方法: 各相均采用欧拉方法 不同的相被处理成互相贯穿的连续介质 体积分数:同一时空间位置各相体积分数之和为1 例:the volume of fluid (VOF) model the mixture model, the Eulerian model,Euler方法:控制体积方法,空间坐标为独立变量; Lagrange方法:随体方法,空间坐标为因变量,仅时间为独立变量,单流体模型,又称均相模型,将多相流视为单一混合物的连续介质,假定: 气、液相速度相等; 气液两相介质已经达到热力学平衡状态
5、; 气、液相间无相互作用,混合物模型(Mixture model),又称漂移流模型(Drift-flux),扩散模型。 混合物模型的相被看作互相穿插的连续统一体 求解混合物动量方程。 用相间滑脱的各相速度与混合物速度的线性关系来描述弥散相的相对速度,多(双)流体模型,又称欧拉模型,因为对各相连续介质的数学描述及处理方法均采用欧拉方法。 将各相流动分开,每相有其平均流速和独立的物性参数,考虑相间的相互作用,分别建立控制方程 同一时空间位置各相体积分数之和为1,分散相模型(Discrete Phase Model),又称欧拉 - 拉格朗日型模型, 连续相的数学描述采用欧拉方法,求解时均N - S方
6、程得到速度等参量; 分散相采用拉格朗日方法描述,通过对大量质点的运动方程进行积分运算得到其运动轨迹。 分散相与连续相可以交换动量、质量和能量,即实现双向耦合 如果不考虑颗粒对流场的影响,即单向耦合,则模型称为颗粒动力学模型。 可模拟喷雾干燥,煤和液体燃料燃烧,VOF模型,在固定的欧拉网格下的界面跟踪方法 各相流体共享一个方程组 每一相的体积分数在计算域的每个计算单元内内被追踪 适用于气 - 液界面的稳态与瞬态追踪 分层流,自由面流动,灌注,晃动, 液体中大气泡的流动, 水坝决堤时的水流, 射流(jet breakup)(表面张力)的预测,模型的选择,基本原则 VOF模型适用于有清晰的相界面的流
7、动。 混合物模型和Euler模型适用于各相相互混合且弥散相的体积分数超过 10%的情况。 如果弥散相体积分数小于10%,则应采用DPM 离散相模型只适用于低体积率的情况。但同时,也只有离散相模型才允许指定颗粒的分布或者在多相流模型中同时加入燃烧模型 塞状流,弹状流、分层流、自由表面流采用VOF 流化床和沉降运动采用欧拉模型,根据问题的关键方面来选择合适的模型,模型的选择,Euler模型与混合物模型 如果弥散相的颗粒尺寸分布和空间分布均较为分散,应首选采用混合模型。如果弥散相集中于计算域的局部,则应采用Euler模型。 如果相间阻力规律已知,则Euler模型比混合模型更精确。如果相间阻力未知,则
8、应采用混合模型 混合模型比Euler模型求解的方程数少,计算量小。Euler模型计算精度高,但计算量大,且稳定性较差。,模型的选择,混合物模型与VOF模型 混合模型(Mixture Model)与VOF模型一样使用单流体方法。 不同之处: 混合模型允许相之间互相贯穿。所以对一个控制容积的体积分数可以是0和1之间的任意值,取决于各相所占有的空间。 混合模型使用了滑流速度的概念,允许各相以不同的速度运动。 混合模型求解混合相的连续性方程,混合的动量方程,混合的能量方程,第二相的体积分数方程,还有相对速度的代数表达,模型的选择,粒子加载率:分散相的质量密度( d)和载体相的质量密度( c)之比:,粒
9、子之间的平均间隔:,分散相与连续相的惯性之比,模型的选择,粒子加载率的影响 低加载率,相之间的耦合作用是单向的。可采用离散相和混合物模型 中等的加载率,耦合作用成为双向的。离散相,混合物和欧拉模型都可以应用于这种情况,但是你需要考虑其他因素来决定采用何种模型,如斯托克斯数。 高加载率,在双向影响的基础上还有粒子压力和由粒子引起的粘性应力的耦合(是四向的耦合)。只能用欧拉模型,模型的选择,斯托克斯数:粒子响应时间和系统响应时间之比: 粒子将具有很好的跟随性,所以三种模型都可以采用 粒子将独立于流场运动,选用离散相模型和欧拉模型 三种模型又都可以采用了,可以根据情况选择最节省资源的或者最为合适的的
10、模型,模型的选择依赖于第二相湍流的重要性,模型的选择,多相湍流模型的选择,混合物湍流模型 应用于相分离,分层(或接近分层)的多相流,和相之间的密度比接近1。使用混合属性和混合速度捕获湍流的重要特征是足够的。 分散湍流模型 明显地有一个主连续相,其它是分散稀释的第二相 每相的湍流模型 湍流传递在相间起重要作用时,Fluent多相流模型,分散相模型,Euler-Lagrange方法 Discrete phase model 通用多相流模型,Euler-Euler方法 the volume of fluid (VOF) model the mixture model the Eulerian mod
11、el,Fluent通用多相流模型,Fluent通用多相流模型,the volume of fluid (VOF) model the mixture model the Eulerian model,通用多相流模型的时间离散格式,多相流模型方程的一般形式: 欧拉二阶时间离散格式:,混合模型、Euler模型以及VOF隐式格式均可以使用二阶时间格式。VOF显式格式只有一阶格式,通用多相流模型的时间离散格式,可压缩液体流动的有界二阶格式(Bounded second-order scheme ) 如果时间步长太大,三层时间方法的n 1时层的负系数会产生解的振荡。这个问题可以通过引入有界二阶格式解决。
12、由于解的振荡主要出现在可压缩液体流动中,因此仅对可压缩液体流动使用有界二阶格式,通用多相流模型的收敛与稳定性,改善多相流模型收敛与稳定性的策略 初始计算采用较小的时间步长或小松弛因子 初始的相体积分数不要设为零 由混合物模型转入欧拉模型的计算 分层流和不互溶的流体运动采用VOF模型 第二相体积分数很小的流动采用分散相模型,The VOF Model,VOF模型概述,VOF(Volume of Fluid)模型在整个计算域内对不互溶流体求解同一个动量方程组并追踪每种流体的体积分数来模拟多相流。 根据体积分数q的值,任意单元内的变量和物性或者为一相的代表,或者为多相混合物的代表: q = 0:单元
13、中没有第q相流体。 q = 1:单元中充满第q相流体。 0 q 1:单元中有第q相流体与其它一相或多相流体间的界面。,VOF模型局限,必须使用基于压力求解器。 所有控制容积必须充满一种流体相或多相的组合。VOF模型不允许没有流体的空的区域。 只能有一相为可压缩理想气体。但对于使用UDF所定义的可压缩液体没有限制。 不能与顺流向周期性流动模型联用。 VOF显式格式不能使用二阶隐式时间步进格式。 与DPM模型联用进行并行颗粒追踪时,不能采用共享内存(Shared Memory)选项,可采用消息传递(Message Passing)选项。,VOF稳态与非稳态求解,VOF模型一般用于瞬态问题 稳态VO
14、F情形:求解不依赖于初始条件,且对每一相有独立的入流边界 VOF模型的典型应用 射流的破碎 液体中大气泡的运动 溃坝后液体流动的预测 液- 气界面的稳态和瞬态追踪。,模型方程,Volume Fraction Equation Shared momentum equation Shared energy equation: 其它标量方程,体积分数方程时间离散格式,隐式格式 显式格式,体积分数的插值(空间离散格式),对相界面单元需特殊处理 几何重建格式(geometric reconstruction) 施主 - 受主格式(donor-acceptor),geometric reconstruct
15、ion (piecewise-linear),donor-acceptor,Actual interface shape,几何重建格式,当单元完全充满同一相时,几何重建方法采用标准的插值格式获得单元界面的通量 当单元位于两相的界面附近时,几何重建方法才采用几何重建格式。 几何重建格式用折线代表流体之间的界面。 假定两种流体之间的界面在每个单元内有线性斜率,并用此斜率计算单元界面的对流通量 Fluent 中该格式是最精确的,适用于一般非结构化网格。,几何重建格式,计算步骤 根据单元内体积分数及其导数,计算线性的相界面相对于每个不完全充满单元的中心位置 根据求得的线性相界面位置和单元界面上法向和切
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