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FLUENT 模拟气泡的破碎与凝聚 [本例来自于 Fluent 13.0 官方教程] FLUENT 的附加模型 population balance model 可以用于计算气泡流的破碎及 汇聚。本例使用欧拉多相流配合 PBM 模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚 现象。 1、模型描述 计算域几何如图 1 所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部 inlet 入 口进入,从 o

utlet 出口流出。几何尺寸如图所示。由于本例的轴对称特征,因此 采用轴对称模型。注意:FLUENT 的 2D 轴对称模型要求对称轴为 x 轴。计算域 模型如图 2 所示。Axis 沿着 x 轴方向,后边的重力加速度即沿着 x 轴负方向。 划分网格,生成 msh 文件。

图 1 几何模型

图 2 计算域模型 2、导入网格 打开 Fluent 14.0,读入上一步生成的 msh 文件。Scale 计算域,检查是否在 正确的尺寸上。选择[Transient]模拟,设置重力方向 x 轴负方向,并且设置 2D Space 为 Axisymmetric。如图 3 所示。

图 3 基本设置 3、选择模型 激 活 PBM 模 型 需 要 通 过 TUI 命 令 。 在 TUI 窗 口 中 输 入 define/models/addon-module,然后输入 yes 回车即可激活 PBM 模型。 多相流模型选择 Eulerian 模型,欧拉相数量为 2。如图 4 所示。

图 4 多相流模型 湍流模型选择标准 k-e 模型,标准壁面函数。湍流多相流模型采用 mixture, 如图 5 所示。 图 5 湍流模型 双击 models 中的 population balance 模型,选择 discrete,进入图 6 所示对话 框,进行如图所示设置。

图 6 PBM 设置 具体含义可以参考 fluent PBM 手册,这里简要的说明一下。 Kv 为增长因子,geometric ratio 为几何对数方法,与后面的 ratio exponent 相对应。 Bins 为直径的数量,这里共有 6 组直径气泡,最小直径 0.001191,最大直径

是根据 kv 及 ratio 计算出来的。 勾选 aggregation kernel 及 breakage kernel,选择 aggregation kernel 方法为 luo-model,这时会弹出表面张力系数设置,输入 0.07。 Frequency 选择 luo-model 方法,同样设置表面张力系数 0.07 OK,模型设置到此结束。 4、材料及相设置 添加材料 water-liquid,材料属性保持默认。 设置 water-liquid 为主相, air 为第二相。 第二相的 diameter 方法为 sauter-mean。 若设置相在设置 PBM 之前,则 PBM 会自动修改此项。 相间作用可以不用设置。 5、设置计算域 设置 operating conditions,设置参考密度为空气密度 1.225,如图 7 所示。

图 7 operating conditions 设置 6、边界条件设置 确保 axis 边界类型为 axis。 所有的 wall 边界保持默认,即 no slip 壁面边界。 (1)Velocity inlet 边界: 设置 mixture 相:如图 8 所示,设置湍流参数。

图 8 入口 mixture 相设置 设置 air 相: 设置 momentum 标签页下的速度为 0.02m/s。进入 multiphase 标签页,进行 如图 9 所示设置。

图 9 入口设置 设置 volume fraction 为 1,表示进入的全部为 air。 设置 bin-3-fraction 为 1,其他全部为 0。表示进入的气泡粒径为 bin-3。

(2)设置 pressure outlet 边界 Mixture 相:如图 10 进行设置。

图 10 出口边界 Air 相: 与入口 air 相类似, 只需要设置 multiphase 标签页, 如图 11 所示。 设置 backflow volume fraction 为 1,设置 bin-3-fraction 为 1,表示出口全为 bin-3 粒径的 air。

图 11 出口设置 7、求解控制 Solution methods 及 solution controls 并没有特殊要求,可以采用默认设置。 可以利用坐标创建点,利用 Monitor 检测指定粒径的气泡含量,如图 12 所 示。

图 12 监测 本例检测点(1.5,0)位置的 bin0,bin3,bin5 体积分数。 用户可以自己定义监测位置及检测变量。 8、初始化 设置湍动能 0.1,湍流耗散率 0.25,air bin-3-fraction 为 1,点击 initialize 进 行初始化。 同时还需要 patch 区域。 进入菜单【adapt】>【Region…】 ,如图 13 所示对话框进行设置。所标记的 区域位于(1.8,0)与(2,0.145,)之间。即高度 1.8m 以上区域。我们 patch 该区域 全为粒径 bin3 的气体。

图 13 区域标记 点击 patch 按钮,进入如图 14 所示对话框。

图 14 patch 区域气泡粒径

图 15 patch 区域体积分数为气体 9、求解计算 设置 time step size 为 0.01s, 设置 number of time steps 为 5000, 同时设置 max iterations/Time step 为 100,如图 16 所示。

图 16 求解计算 10、计算后处理

可以观察气泡粒径分布云图等,如图 17 所示为气泡粒径分布。

图 17 粒径分布云图 也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图分布。

图 18 直方图设置

图 19 直方图显示 上喷式喷射器内气泡分布的模拟 发表时间:2012-7-17 作者: 郭方飞 姚云 来源: 安世亚太 关键字: Ansys CFD 气液混合

: 喷射器是一种高效的气液混合设备,通过对上喷式喷射器内气液两相流中 气泡尺寸分布的模拟, 并和文献中的实验结果进行对比分析后,发现模拟结果与 实验数据比较一致.在喷射器内气液泡状流中气泡尺寸分布主要受湍动控制的影 响, 当气相和液相流量分别增加时,两相间的传动及能量分配能够使气泡分散成 更小的尺寸,从而增大传质效果。同时也证明采用 Ansys CFD 模型和 PBM 模 型能够对喷射器内气液两相流中泡状流范围内的气泡尺寸分布进行较为准确的 模拟。 1 引言 喷射器是一种应用非常广泛的设备结构形式,在化工、能源、环境工程、 食品工程等各种工程行业中都有重要的应用,如化工中的喷射式反应器、低温工 程的涡流喷射器,各种射流泵等。喷射器用于多相流在近年来越来越受到关注。 由于喷射器内压力能和动能的相互转换,能够引起流体之间动能、动量的相互传 递和分配, 从而使得不同流体运动过程中在特定的条件下获得较好的流态,有助 于相间传质传动, 达到较好的混合效果。气液两相流的混合和传质效果很大程度 上受到两相流型流态的影响。 当其中一相在另一相中形成分散相后,能够增大相 间接触面积, 从而改善相间传质,本文即通过模拟的方法与实验的结果进行对比 分析, 讨论了喷射器内气液两相的运动和混合状态,了解喷射器内气液两相的分 布, 以提供分析气液两相之间传质过程的参考。实验采用粒子成像测速仪拍摄喷 射器一段区域(成像较好) 。 2 喷射器结构 2.1 基本结构 喷射器基本结构见图 1。喷射器主要由喷嘴、直管段(混合段) 、扩散段 组成。

2.2 可调结构参数 图 1 所示的喷射器结构参数一般经过确定后,成为磨具的基本参数,实 物模型基本不发生变化,如有变化,即成为另一喷射器模型。但喷嘴与直管段间 的距离是可调的,该距离的不同,会影响液体进入喷射器直管段后的射流长度。 本次模拟研究时此距离取 7mm。 3 模型建立 气液两相为多相流,因此在建立模型的时候采用 CFD 中的多相流模型。 在选择多相流模型时, 首先根据气液两相可能形成的流型进行分析,根据不同的 气液流速用实验的方法研究了两相流型,当气体流量为 0.1m^3/h ,液体流量 0.2~1.0 时均为泡状流。而当液相流量为 0.6m^3/h,气相流量为 0.1~0.4m^3/h 时, 两相流型也为泡状流, 但有向雾状流过渡的趋势。本次研究的气液流量范围为两 相成泡状流的情况,模拟时,具有颗粒行为模拟能力的模型有两种:群平衡方程 (PopulationBalanceModel,PBM)和离散相模型(DiscretePhaseModel,DPM) 。 3.1 群平衡方程(PopulationBalanceModel,PBM) 由于气泡行为的重要性,其分布又会随着传递和化学反应不断演变,是 不同现象如核聚、生长、分散、溶解、凝聚和破碎等过程的联合。因此,在涉及

气泡分布的多相流中,就需要平衡方程来描述粒群变化,及其动量、质量和能量 守恒。可以利用群平衡模型的例子包括结晶、从气相或液相沉降、泡罩塔、气体 喷射、喷雾、流化床聚合、制粒、液液乳化与分离、气雾流等。商业化的软件包 Fluent 里已经嵌入气泡聚裂模型,且给出了不同的群平衡方程解法,如离散化群 平衡法、 标准矩法和二阶矩法。 这给诸多对计算机编程能力比较弱的工程技术人 员提供了很大帮助和方便,节省了大量的精力。具体的方程此处不再赘述,可参 见 AnsysFluenthelp 内容。 3.2 离散相模型 离散相模型是用拉格朗日计算方法模拟离子、液滴、气泡的轨迹,如计 算散布相的加热或冷却、 流体液滴的汽化和蒸发、喷雾模型中液滴的分裂和融合 等等。具体方程及模型可参见 AnsysFluenthelp 内容。 3.3 模型选择 对于简单的气液两相模型,当不考虑气体在液体中的分散状态时,可以 将两相均视为连续相,当要细化其中一相的具体分布情况时,毫无疑问,群平衡 方程 PBM 和离散相模型就需要被嵌入到基本的 N-S 方程中。 PBM 方程主要的作 用是能够计算颗粒之间的作用, 颗粒的聚并和分裂,在大宗流体内颗粒较多的时 候可选用该方程。 DPM 模型主要用于计算分散相体积<12%,粒子之间的相互作用 可以忽略的场合。 本文的研究过程是液相喷射卷吸气相,在一定的流量范围内形 成泡状流,在喷射器的受限空间内大量产生,气泡较多,因此可选择 PBM 模型。 为了计算简化,节省计算成本,在模拟过程中对结构和过程进行了适度简化。 4 结果与讨论 4.1 实验结果 1 作者在之前的一系列论文中通过 PIV/PLIF 实验的方法,测量了不同气液 流量、流速对气液两相流流型的影响。文献[3]给出了喷嘴上无旋流器时喷射器 内 气 液 两 相 的 各 种 流 型 。 其 中 气 相 流 量 在 0.1~0.4m^3/h , 液 相 流 量 在 0.2~0.8m^3/h。当液相不变时,取 L=0.6m^3/h,气相流量在 0.1~0.4m^3/h 之间变 化时,实验结果见图 2。

当液相流量不变,进入喷射器的动能即不变,而气相流量增大时,相同 的液相需要与更多的气相传动, 导致了气液两相间能量分配不同,图 3 即表明了 气量增大时,气体在液体内的分散程度首先增大,气泡增多,但随着气体更大, 受限的喷射器空间和液相能量不能将气体完全分散成独立气泡的几率开始增大, 有逐渐向其他流型转变的趋势。 分页 4.2 模拟结果 1 采用 ANSYS 公司 Fluent 软件中的多相流模型 (欧拉模型) 和群平衡方程 (PBM) ,首先对图 2 中气相流量为 0.1m^3/h,液相流量为 0.6m^3/h 的情况进行 了模拟。为了减小模拟的计算难度,采用了二维的几何模型。 混合段入口处采用了速度进口,扩散段出口处采用了压力出口。PBM 模 型嵌入 Fluent 后,采用了 Discrete 求解方法,气泡尺寸分为 6 组,根据最小气泡 组的尺寸和合适的几何指数, 由 Fluent 自动计算出其他几组的气泡尺寸大小。 同 时采用多相流模型,在第二相气相中,选择 SauterDiameter 作为计算相间相互作 用的粒径大小。

图 3 中气泡尺寸由大到小的分组依次是 Bin0(~3.7mm)、Bin1(~3.2mm)、 Bin2(~2.3mm)、 Bin3(~1.8mm)、Bin4(~1.3mm) 、Bin5(~0.55mm)。初始场给定各 气泡组的体积分率分别为 1%、6%、3%、17%、46%、25%。经过迭代计算后, 以喷嘴处沿喷射器轴线的距离(mm)为横坐标,各组气泡的体积分率为纵坐标, 绘制各组气泡尺寸变化趋势图(图 3) 。从图中可以看到在此流量条件下,各组 气泡沿着流体流动方向不断被合并,形成较大的气泡,大气泡(Bin0)的体积分 率从一开始的 1%,一直到喷射器出口的 100%。而其他组的气泡(Bin1~5)在 最初的体积分率假设值下, 在经过流体之间互相作用后体积分率都逐渐减小。根 据各组经过达到其最大体积分率所对应的轴线距离逐渐增大,可以得出,当假设 各组气泡从喷嘴处进入喷射器时,气泡沿流动方向逐渐被合并成较大气泡。最小 的气泡先进行合并, 然后形成的较大的气泡之间再合并成更大的气泡,在此过程 中气泡合并作用远大于分裂作用。另外,从图 3 中还可以看到在喷射器的大部分 区域,尽管主导气泡尺寸在变化,但各组气泡的最大体积分率相差不大,都在 25~40%之间。这也说明气泡在喷射器内的分布相对比较均匀。 虽然图 3 的趋势显示了图 2 中实验拍照区域内气泡的变化,但是由于结 构和模型的简化, 导致最后大气泡的单一化,而且实验和模拟都无法给出喷嘴处 气体被液体破碎的过程,因此模型还需要进一步的优化和改进。 当液相流量不变时, 根据 SauterDiameter 的计算公式, 计算了不同气相流 量下(0.1~0.4m^3/h)下的沙得直径,见图 4。

图 4 中模拟值要高于实验值,但是随着气相流量的增大,气泡的平均直 径(沙得直径)变化趋势基本一致。 4.3 实验结果 2 当气相流量不变时,一组实验图片见图 5。

从图 6 模拟数据和实验数据的对比中看出两者虽然有些差异,但是变化 趋势是相同的。即当气相流量不变,液相流量不断增大时,在泡状流流型条件范 围内,气相在液相中分散的气泡尺寸不断减小,分散的气泡尺寸越小,气液两相 接触面积越大,气液见传质也就越好。 5 结论

通过 AnsysFluent 流体模型结合 PBM 模型模拟了上喷式喷射器内气液两 相中形成泡状流时气泡尺寸分布情况。与实验结果对比后,模拟结果与实验数据 比较一致,气泡尺寸随着流体流动参数的变化趋势相同。主要结论有以下三点: 1)当液相流量不变,而气相流量增大时,在泡状流范围内,气体在液体 内的分散程度增大,气泡增多,气泡尺寸减小。 2)当气相流量不变,而液相流量增大时,气体在液相湍动能增大的条件 下被破碎成之间减小的气泡。 3)由此可见,在泡状流流型中,喷射器内气泡随着气液两相的流量(分 别)增大而逐渐减小,受湍动控制的影响最大 如果仅仅是单气泡模拟,推荐用 VOF 模型; 多气泡不考虑聚并破碎的,用欧拉;考虑聚并破碎的话,加入 PBM。 Q:1.手册里明明说破碎聚并的计算模型有很多,可是为什么 fluent 里只有 Luo 的? 2.文献中的 classes method 是不是对应 fluent 里的 discrete method? A:1.6.3 只提供 luo 模型,可以 udf 写其他机理,很简单 2.对


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