计算流体力学

Posted by XiLock on August 9, 2021

多相流模型

目前多相流数值计算主要有两种方法:欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法。
在欧拉-欧拉方法中,不同的相在数学上被视为相互渗透的连续相。由于某一相的体积不能被其他相所占据,因此引入了相体积分数的概念。假设这些体积分数是空间和时间的连续函数,它们的和等于1。推导出各相的守恒方程,得到各相具有相似结构的方程组。这些方程通过提供从经验获得的本构关系而封闭,或者,在粒状流动的情况下,通过动力学理论的应用而封闭。在ANSYS Fluent中,提供了三种欧拉多相流模型: volume of fluid (VOF) 模型, mixture模型, 和 Eulerian 模型

VOF模型

VOF模型是一种应用于固定欧拉网格的表面跟踪技术。VOF模型用于两种或多种不混溶的流体,而流体之间的界面位置是我们感兴趣的。在VOF模型中,流体共享一组动量方程,并且在整个域中跟踪每个计算单元中每种流体的体积分数。VOF模型可应用于:分层流动、自由表面流动、填充、晃动、大气泡在液体中的运动、溃坝后液体的运动、射流破裂的预测(表面张力)以及任何液-气界面的稳态或瞬态跟踪。

Mixture模型

混合模型可用于两种或两种以上的相(流体或颗粒)。在欧拉模型中,相被视为相互渗透的连续体。混合模型求解混合动量方程,用相对速度来描述分散相。混合模型可应用于:低负荷颗粒流、气泡流、沉降和旋风分离器。混合模型也可以用于没有相对速度的分散相来模拟均匀多相流。

Eulerian模型

欧拉模型是ANSYS Fluent中最复杂的多相流模型。它要为每一项求解一系列的动量和连续性方程。通过压力和相间交换系数实现了耦合。处理这种耦合的方式取决于所涉及相的类型:颗粒状(流体-固体)流动与非颗粒状(流体-流体)流动的处理方法不同。对于粒状流动,应用动力学理论得到颗粒流的性质。两相之间的动量交换也取决于所模拟的混合物的类型ANSYS Fluent的用户定义函数可用来定义计算动量交换。欧拉多相流模型可应用于:气泡塔、提升器、颗粒悬浮和流化床。

一般情况下,一旦确定了最能代表你的多相系统的流型,就可以根据以下指导原则选择合适的模型:

  1. 对于段塞流,使用VOF模型。
  2. 对于分层/自由表面流,使用VOF模型。
  3. 对于气动输送,对于均匀流使用混合物模型,对于颗粒流使用欧拉模型。
  4. 对于流化床和颗粒流使用欧拉模型。
  5. 对于浆体流动和水力输送,使用混合模型或欧拉模型。
  6. 对于沉降,使用欧拉模型。
  7. 对于相混合或分散相体积分数超过10%的含气泡、液滴和颗粒流,使用混合物模型或欧拉模型。
  8. 对于涉及多种流态的复杂多相流,选择最感兴趣的流态,并选择最适合该流态的模型。注意,由于所使用的模型仅对模型的部分流动有效,因此结果的准确性将不如只涉及一个流动模式那么好。

  9. VOF模型适用于分层或自由表面流动,混合和欧拉模型适用于相混合或分离或分散相体积分数超过10%的流动。(离散相体积分数小于或等于10%的流动可以用离散相模型来建模。)
  10. 要在混合模型和欧拉模型之间进行选择,你应考虑以下准则:如果分散相分布较广(如果颗粒大小不同,且最大的颗粒没有从一次流场分离),混合模型可能更好(计算成本较低)。如果分散相只集中在域的一部分,那么应该使用欧拉模型。

参考资料:

  1. fluent中如何选择多相流模型?(2)


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