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FLUENT培训教材08物理模型


ANSYS FLUENT 培训教材 第八节:物理模型

安世亚太科技(北京)有限公司

A Pera Global Company ? PERA China

概要
?多相流模型 – Discrete phase model – Eulerian model – Mixture model – Volume-

of-fluid model ?化学反应模型 – Eddy dissipation model – Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models – Detailed chemistry models – Pollutant formation – Surface reactions ?动网格 – Single and multiple reference frames – Mixing planes – Sliding meshes – Dynamic meshes – Six-degree-of-freedom solver
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多相流模型

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简介
?相具有可定义的边界,对周围流场有特定的动力响应 ?相一般分为固体、液体和气体,但也指其他形式:有不同化学属 性的材料,但属于同一种物理相(如液-液) ?多相流体系统分为一种主流体相和多种次流体相
– 其中一种流体是连续的(主流体) – 其他相是离散的,存在于连续相中
Secondary phase(s)

– 可以有多种次流体相,代表不同尺寸的颗粒

Primary Phase
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多相流体系
– 气泡流 – 连续液体中存在离散的气 泡,如气体吸收器,蒸发设备,鼓 泡设备
气 /液 液 /液

– 液滴流 – 连续气体中的离散液滴, 如喷雾器、燃烧器

Slug Flow

Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow

– 柱塞流 – 连续液体中的大尺度气泡
– 分层 / 自由表面流– 不相溶的流体被 清晰的界面分开,如自由表面流 – 颗粒流 – 连续气体中的离散固体颗 粒,如旋风分离器,空气净化器, 吸尘器 – 流化床 – 流化床反应器
液 /固
Stratified / FreePneumatic Transport, Surface Flow Hydrotransport, or Slurry Flow

气 /固

– 泥浆流 – 液体中的固体颗粒,固体 悬浮、沉积、液力输运

Sedimentation

Fluidized Bed

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FLUENT中的多相流模型
?FLUENT 包括四种不同的多相流模型:
– Discrete Phase Model (DPM) – Volume of Fluid Model (VOF) – Eulerian Model – Mixture Model

?选择合适的模型非常重要
– 取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个 区别 – Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例)也应该考 虑进来

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DPM 例子-喷雾干燥
?喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中,用DPM模拟 流动、传热、传质过程

Initial particle Diameter: 2 mm

Contours of Evaporated Water Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
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1.1 mm

0.2 mm

欧拉模型的例子 – 三维气泡床

z = 20 cm

z = 15 cm

z = 10 cm

z = 5 cm

Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175

Liquid Velocity Vectors
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欧拉模型中的粒状选项
?当存在高浓度的固体颗粒时,会导致颗粒 间高频率的碰撞,此时应选Granular

?假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞 行为,对颗粒相使用分子云理论
Gravity

?应用这个理论后,连续相和颗粒相的动量 方程都增加了附加应力 – 这些应力 (颗粒 “粘性”, “压力” 等.) 由颗 粒速度脉动强度确定 – 伴随颗粒速度脉动的动能由拟热 “pseudo-thermal” 或颗粒温度代表 – 不考虑颗粒的弹性变形

Gas / Sand Gas

Contours of Solids Volume Fraction for High Velocity Gas/Sand Production
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混合模型案例 – 气体鼓泡

?用混合模型模拟氮气 喷入混合器中的流动, 用MRF方法模拟旋转 叶片的效应

?FLUENT 很好的模拟了 气体的停顿和搅动过 程。

Animation of Gas Volume Fraction Contours
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Water Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec.

VOF 案例 – 汽车油箱晃动
?模拟不同加速条件下, 液体在汽车油箱中的 自由液面晃动 ?模拟显示油箱底部的 挡板可以保持入油口 浸没在油中,如果没 有挡板时,入油口在 某些时间会露出油面
Fuel Tank Without Baffles

t = 1.05 sec

t = 2.05 sec

Fuel Tank With Baffles
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? Discrete Phase Model
– – –


各 种 模 型 的 特 长

唯一的Lagrange方法 不考虑粒子间的碰撞 不受Stokes数大小的限制
FLUENT Euler型多相流模型中较简单的模型(不能模拟粒子运 动) 相间的分子扩散可以忽略时,能得到较好的结果 可以计算液滴与气泡的分裂和合成 ? 最小液滴与气泡受网格大小限制 FLUENT Euler型多相流模型中较简单的模型 受Stokes数大小的限制 计算负荷比Euler Granular模型要小 多相流模型中适用范围最广 不受Stokes数大小的限制:有时可以用Mixture Model替代 计算费用较大 可以考虑粒子的堆积和摩擦 计算费用最大
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? VOF Model
– –

? Mixture Model
– – –

? Mixture Model (Granular) ? Euler Model
– – – – –

所 有 模 型 都 可 以 考 虑 化 学 反 应

? Euler Granular Model

化学反应流

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化学反应流的应用
?FLUENT 包含了从计算均相反应到非均相反应的多个反应模型 – 炉子 – 锅炉

– 热处理炉
– 燃气轮机 – 火箭发动机
Temperature in a Gas Furnace

– 内燃机
– CVD, 催化反应 ?反应流一般预测
CO2 Mass Fraction

– 流动和混合
– 温度 – 组分浓度 – 颗粒和污染
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Stream Function

背景知识
?模拟燃烧中的化学反应
– 快速化学反应
? 全局化学反应机理(有限速率/涡耗散) ? 平衡/小火焰模型(混合分数)
Fuel Reactor Oxidizer Outlet

– 有限速率反应

?流动结构
– 非预混反应系统
? 可简化为混合系统

Fuel + Oxidizer

Reactor

Outlet

Secondary Fuel or Oxidizer

– 预混反应系统
? 冷态反应物传播到热的生成物中.

Fuel + Oxidizer

Reactor

Outlet

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FLUENT中反应流模型
流动结构

Premixed

NonPremixed

Partially Premixed

Eddy Dissipation Model (Species Transport) Premixed Combustion Model
Reaction Progress Variable*

化学反应

Fast Chemistry

Non-Premixed Equilibrium Model
Mixture Fraction

Partially Premixed Model
Reaction Progress Variable + Mixture Fraction

Laminar Flamelet Model

Finite-Rate Chemistry

Laminar Finite-Rate Model Eddy-Dissipation Concept (EDC) Model Composition PDF Transport Model
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污染物模型
?NOx 形成模型(预测定性的 NOx 形成趋势) – FLUENT 包括三种 NOx 产生机理
? Thermal NOx ? Prompt NOx ? Fuel NOx

– NOx 还原模型 – 选择性非催化还原模型 (SNCR) l
? 喷入氨水或尿素

?烟灰形成模型 – Moos-Brookes 模型 – 一步模型,两步模型 – 烟灰对辐射吸收的影响 ?SOx 形成模型 – 求解SO2, H2S, 或者SO3 方程 – 一般 SOx 预测都作为后处理过程来进行
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DPM模型
?描述 – 颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解 – 颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换 – 每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为 – 单个颗粒的互相影响被忽略 – 离散相体积分数必须小于10 ?多个子模型 – 离散相的加热/冷却 – 液滴的蒸发和沸腾 – 可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧 – 喷雾模型模拟液滴破碎和聚合 – 磨损/增长 ?应用范围 – 颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃 烧.
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表面反应
?对于化学组分沉积到表面的反应,将沉积的组分处理为和气相组 分不同的另外一种组分

?对每个吸收表面组分求解地点平衡方程
– 可以考虑详细表面反应机理(任意的多步反应,任意数量的气相 组分/沉积组分)

– CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT.
– 表面反应可以在壁面或多孔介质中发生 – 可以在不同的表面定义不同的表面反应机理

?应用案例
– 催化反应 – CVD(化学沉积)
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总结
?对反应流动,有四个基础的教程
– 组分传输和气相燃烧 – 非预混燃烧 – 表面化学反应 – 液滴挥发

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动网格

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动网格简介
?许多问题需要考虑平移或旋转的部件 ?对移动域,有两种基本的模型方法:
– 运动的参考坐标系
? 参考坐标系和运动域联系在一起 ? 修正控制方程来考虑运动坐标系

– 运动/变形域
? 域的位置和形状在静止坐标系下跟踪 ? 求解本质上是瞬态的

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运动域的CFD模型方法

单参考坐标系 (SRF)

多参考坐标系 (MRF)

混合平面法 (MPM)

滑移网格 (SMM)

运动 / 变形网 格 (MDM)

运动坐标系

运动域

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单参考坐标系模型 (SRF)
?SRF 把单一的运动域和一个坐标系 连接起来 – 所有的流体域在运动坐标系下定义 – 旋转坐标系引入了附件加速度 ?为什么要使用运动坐标系? – 在静止坐标系下流场是瞬态的,使 用旋转坐标系后流场可以看做稳态 的 – 优势
? ? ? ? 用稳态方法求解* 边界条件更简单 调试更快捷 更容易的后处理的分析

Centrifugal Compressor (single blade passage)

*注意: 在旋转坐标系下有时依然有瞬态现 象,如湍流、周期非平衡、分离、涡脱落 等

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多参考坐标系模型 (MRF)

?包括有静止域和运动域的多域问题, 此时,单参考坐标系不适合 ?这类系统可以这样处理:把域分割为 多个域:一些域旋转,一些域静止 ?域之间通过交界面传递数据

interface

Multiple Component (blower wheel + casing)

?对交界面的处理方式分为以下几种:
– 多参考坐标系模型 (MRF) – 混合平面模型 (MPM) – 滑移网格模型 (SMM)
稳态(近似) 瞬态(精确)
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混合平面模型 (MPM)
?MPM方法是对多级轴流和离心旋 转机械的稳态解法 – 也适用于其他一般问题 ?域有多个单通道、旋转或静止流 体域组成 – 每个域有自己的进口、出口、 壁面和周期边界(每个域是一 个SRF模型) ?对每个域求解稳态的 SRF,通过 边界条件链接各个域 – 链接域的边界称为混合平面 – 通过混合平面的变量是周向平 均值,随每步迭代更新
? 分布可以是径向或轴向

Mixing plane (Pressure outlet linked with a mass flow inlet)

– 求解收敛后,混合平面将调整 为一般流动条件

MPM的优势:只需要一个流道,和叶片数量无关

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滑移网格模型 (SMM)
?旋转机械中,静止部件和旋转部件的相 对运动导致瞬态相互作用,一般分为以 下几种: – 位差相互作用 (压力波相互作用) – 尾迹相互作用 – 激波相互作用 ?MRF 和 MPM 模型都忽略了瞬态相互 作用,仅限于瞬态效应小的流动 ?如果瞬态效应不能忽略,可以使用 SMM方法考虑静止部件和旋转部件的 相对运动

Shock interaction

potential interaction

Stator

Rotor

wake interaction

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SMM模型如何工作
?和 MRF 模型类似的是,计算域分为运动域和静止域,由非一致网格界 面连接 ?和 MRF 模型不同的是,每个域的网格是时间的函数,随时间改变,这 样使得问题本身就是瞬态的。
moving mesh zone

cells at time t

cells at time t + Δt

?另一个和 MRF 模型不同之处是,控制方程有新的动网格形式,在静止 坐标系下求解绝对量 – 没有使用运动坐标系形式(例如,动量方程源项中没有附加加速度的作 用) – 方程组是通用的运动/变形网格形式的一种特殊情况
? 假设为刚性网格运动和滑移,非一致网格界面
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动网格方法 (DM)
?内部节点位置随着边界的运动自动计算 ?基本格式
– 弹簧式 (光顺) – 局部重新划分 – 层铺式

?其他方法
– 2.5 D – 用户定义网格运动

– 内燃机网格运动 (RPM, stroke length, crank angle, …)
– 通过分布或UDF预先定义的运动 – 通过6DOF求解器,把流场求解的气动力和运动耦合起来
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动网格方法

层铺法 随着边界的移动,单元层生 成或消失。单元层可以是四 边形/六面体/四面体类型, 适合边界在小范围或大范围 内的线性或旋转运动

局部重划法 随着边界移动,网格扭曲大 的区域网格重新划分。适用 于三角形/四面体网格类型, 边界运动范围大。

弹簧式 弹簧式适用于小范围的边界变 形,单元的连接和数量不变, 弹簧式适用于小范围变形的三 角形/四面体网格

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动网格模型
?FLUENT引入动网格模型来移动边界,并调整网格 ?例子:
– 内燃机汽缸内的活塞运动 – 容积泵 – 机翼摆动 – 阀门开关过程 – 动脉扩张和收缩

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总结
?模拟运动部件有五种方法
– 单参考坐标系法 – 多参考坐标系法 – 混合平面法 – 滑移网格法 – 动网格法

?前三种方法主要用于稳态,而滑移网格和动网格本质是瞬态的

?要激活这些模型,将流体域由固定改为动坐标系或动网格设置
?大多数物理模型和动坐标系或动网格法兼容(如多相流、燃烧、 传热等)
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谢谢
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