FLUENT培訓(xùn)教材08物理模型

FLUENT培訓(xùn)概要多相流模型DiscretephasemodelEulerianmodelMixturemodelVolume-of-fluidmodel化學(xué)反響模型EddydissipationmodelNon-premixed,premixedandpartiallypremixedcombustionmodelsDetailedchemistrymodelsPollutantformationSurfacereactions動網(wǎng)格SingleandmultiplereferenceframesMixingplanesSlidingmeshesDynamicmeshesSix-degree-of-freedomsolver多相流模型簡介相具有可定義的邊界，對周圍流場有特定的動力響應(yīng)相一般分為固體、液體和氣體，但也指其他形式：有不同化學(xué)屬性的材料，但屬于同一種物理相〔如液-液〕多相流體系統(tǒng)分為一種主流體相和多種次流體相其中一種流體是連續(xù)的〔主流體〕其他相是離散的，存在于連續(xù)相中可以有多種次流體相，代表不同尺寸的顆粒PrimaryPhaseSecondaryphase(s)多相流體系氣泡流–連續(xù)液體中存在離散的氣泡，如氣體吸收器，蒸發(fā)設(shè)備，鼓泡設(shè)備液滴流–連續(xù)氣體中的離散液滴，如噴霧器、燃燒器柱塞流–連續(xù)液體中的大尺度氣泡分層/自由外表流–不相溶的流體被清晰的界面分開，如自由外表流顆粒流–連續(xù)氣體中的離散固體顆粒，如旋風(fēng)別離器，空氣凈化器，吸塵器流化床–流化床反響器泥漿流–液體中的固體顆粒，固體懸浮、沉積、液力輸運(yùn)氣/液液/液氣/固液/固PneumaticTransport,Hydrotransport,orSlurryFlowFluidizedBedSedimentationStratified/Free-SurfaceFlowSlugFlowBubbly,Droplet,orParticle-LadenFlowFLUENT中的多相流模型FLUENT包括四種不同的多相流模型:DiscretePhaseModel(DPM)VolumeofFluidModel(VOF)EulerianModelMixtureModel選擇適宜的模型非常重要取決于流體是分層的還是離散的-兩相間的長度尺度界定這個區(qū)別Stokes數(shù)(顆粒松弛時間和流體特征時間的比例〕也應(yīng)該考慮進(jìn)來

whereand.DPM例子-噴霧枯燥噴霧枯燥包括液體以霧狀方式噴入加熱的容器中，用DPM模擬流動、傳熱、傳質(zhì)過程ContoursofEvaporatedWaterStochasticParticleTrajectoriesforDifferentInitialDiametersInitialparticleDiameter:2mm0.2mm1.1mm歐拉模型的例子–三維氣泡床LiquidVelocityVectorsIsosurfaceofGasVolumeFraction=0.175z=

5cmz=

10cmz=

15cmz=20cm歐拉模型中的粒狀選項(xiàng)當(dāng)存在高濃度的固體顆粒時，會導(dǎo)致顆粒間高頻率的碰撞，此時應(yīng)選Granular假設(shè)顆粒的行為類似一團(tuán)密集分子的碰撞行為，對顆粒相使用分子云理論應(yīng)用這個理論后，連續(xù)相和顆粒相的動量方程都增加了附加應(yīng)力這些應(yīng)力(顆粒“粘性”,“壓力”等.)由顆粒速度脈動強(qiáng)度確定伴隨顆粒速度脈動的動能由擬熱“pseudo-thermal”或顆粒溫度代表不考慮顆粒的彈性變形ContoursofSolidsVolumeFractionforHighVelocity

Gas/SandProductionGas/SandGasGravity混合模型案例–氣體鼓泡用混合模型模擬氮?dú)鈬娙牖旌掀髦械牧鲃?，用MRF方法模擬旋轉(zhuǎn)葉片的效應(yīng)FLUENT

很好的模擬了氣體的停頓和攪動過程。AnimationofGasVolumeFractionContoursWaterVelocityVectorsonaCentralPlaneat

t=15sec.VOF案例–汽車油箱晃動模擬不同加速條件下，液體在汽車油箱中的自由液面晃動模擬顯示油箱底部的擋板可以保持入油口浸沒在油中，如果沒有擋板時，入油口在某些時間會露出油面FuelTankWithoutBafflest

=1.05sect

=2.05secFuelTankWithBaffles化學(xué)反響流TemperatureinaGasFurnaceCO2MassFractionStreamFunction化學(xué)反響流的應(yīng)用FLUENT包含了從計(jì)算均相反響到非均相反響的多個反響模型爐子鍋爐熱處理爐燃?xì)廨啓C(jī)火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)燃機(jī)CVD,催化反響反響流一般預(yù)測流動和混合溫度組分濃度顆粒和污染背景知識模擬燃燒中的化學(xué)反響快速化學(xué)反響全局化學(xué)反響機(jī)理〔有限速率/渦耗散〕平衡/小火焰模型〔混合分?jǐn)?shù)〕有限速率反響流動結(jié)構(gòu)非預(yù)混反響系統(tǒng)可簡化為混合系統(tǒng)預(yù)混反響系統(tǒng)冷態(tài)反響物傳播到熱的生成物中.PartiallypremixedsystemsReactingsystemwithbothnon-premixed andpremixedinletstreams.FuelOxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorSecondaryFuelorOxidizerOutlet化學(xué)反響流動結(jié)構(gòu)PremixedNon-PremixedPartiallyPremixedFastChemistryEddyDissipationModel(SpeciesTransport)PremixedCombustionModelNon-PremixedEquilibriumModelPartiallyPremixedModelReactionProgressVariable*MixtureFractionReactionProgressVariable+MixtureFractionFinite-RateChemistryLaminarFlameletModelLaminarFinite-RateModelEddy-DissipationConcept(EDC)ModelCompositionPDFTransportModelFLUENT中反響流模型污染物模型NOx形成模型〔預(yù)測定性的NOx形成趨勢〕FLUENT包括三種NOx產(chǎn)生機(jī)理ThermalNOxPromptNOxFuelNOxNOx復(fù)原模型選擇性非催化復(fù)原模型(SNCR)l噴入氨水或尿素?zé)熁倚纬赡Ｐ蚆oos-Brookes模型一步模型，兩步模型煙灰對輻射吸收的影響SOx形成模型求解SO2,H2S,或者SO3方程一般SOx預(yù)測都作為后處理過程來進(jìn)行DPM模型描述顆粒/液滴/氣泡的軌跡在拉格朗日坐標(biāo)系求解顆粒和連續(xù)相可以進(jìn)行熱、質(zhì)量、動量的交換每一條軌跡代表一組有相同初始屬性顆粒的行為單個顆粒的互相影響被忽略離散相體積分?jǐn)?shù)必須小于10多個子模型離散相的加熱/冷卻液滴的蒸發(fā)和沸騰可燃固體的揮發(fā)分析出和焦炭燃燒噴霧模型模擬液滴破碎和聚合磨損/增長應(yīng)用范圍顆粒別離、分級、噴霧枯燥、浮質(zhì)沉積、氣泡噴射、液體燃料和煤粉燃燒.外表反響對于化學(xué)組分沉積到外表的反響，將沉積的組分處理為和氣相組分不同的另外一種組分對每個吸收外表組分求解地點(diǎn)平衡方程可以考慮詳細(xì)外表反響機(jī)理〔任意的多步反響，任意數(shù)量的氣相組分/沉積組分〕CHEMKIN中的外表反響機(jī)理可以讀入FLUENT.外表反響可以在壁面或多孔介質(zhì)中發(fā)生可以在不同的外表定義不同的外表反響機(jī)理應(yīng)用案例催化反響CVD〔化學(xué)沉積〕總結(jié)對反響流動，有四個根底的教程組分傳輸和氣相燃燒非預(yù)混燃燒外表化學(xué)反響液滴揮發(fā)動網(wǎng)格動網(wǎng)格簡介許多問題需要考慮平移或旋轉(zhuǎn)的部件對移動域，有兩種根本的模型方法:運(yùn)動的參考坐標(biāo)系參考坐標(biāo)系和運(yùn)動域聯(lián)系在一起修正控制方程來考慮運(yùn)動坐標(biāo)系運(yùn)動/變形域域的位置和形狀在靜止坐標(biāo)系下跟蹤求解本質(zhì)上是瞬態(tài)的運(yùn)動域的CFD模型方法單參考坐標(biāo)系(SRF)多參考坐標(biāo)系(MRF)混合平面法(MPM)滑移網(wǎng)格(SMM)運(yùn)動坐標(biāo)系運(yùn)動域運(yùn)動/變形網(wǎng)格(MDM)單參考坐標(biāo)系模型(SRF)SRF把單一的運(yùn)動域和一個坐標(biāo)系連接起來所有的流體域在運(yùn)動坐標(biāo)系下定義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系引入了附件加速度為什么要使用運(yùn)動坐標(biāo)系?在靜止坐標(biāo)系下流場是瞬態(tài)的，使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后流場可以看做穩(wěn)態(tài)的優(yōu)勢用穩(wěn)態(tài)方法求解*邊界條件更簡單調(diào)試更快捷更容易的后處理的分析CentrifugalCompressor(singlebladepassage)*注意:在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下有時依然有瞬態(tài)現(xiàn)象，如湍流、周期非平衡、別離、渦脫落等多參考坐標(biāo)系模型(MRF)包括有靜止域和運(yùn)動域的多域問題，此時，單參考坐標(biāo)系不適合這類系統(tǒng)可以這樣處理：把域分割為多個域：一些域旋轉(zhuǎn)，一些域靜止域之間通過交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)對交界面的處理方式分為以下幾種：多參考坐標(biāo)系模型(MRF)混合平面模型(MPM)滑移網(wǎng)格模型(SMM)interfaceMultipleComponent(blowerwheel+casing)穩(wěn)態(tài)〔近似〕瞬態(tài)〔精確〕混合平面模型(MPM)MPM方法是對多級軸流和離心旋轉(zhuǎn)機(jī)械的穩(wěn)態(tài)解法也適用于其他一般問題域有多個單通道、旋轉(zhuǎn)或靜止流體域組成每個域有自己的進(jìn)口、出口、壁面和周期邊界〔每個域是一個SRF模型〕對每個域求解穩(wěn)態(tài)的SRF，通過邊界條件鏈接各個域鏈接域的邊界稱為混合平面通過混合平面的變量是周向平均值，隨每步迭代更新分布可以是徑向或軸向求解收斂后，混合平面將調(diào)整為一般流動條件Mixingplane(Pressureoutletlinkedwithamassflowinlet)MPM的優(yōu)勢:只需要一個流道，和葉片數(shù)量無關(guān)滑移網(wǎng)格模型(SMM)旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件的相對運(yùn)動導(dǎo)致瞬態(tài)相互作用，一般分為以下幾種：位差相互作用

(壓力波相互作用)尾跡相互作用激波相互作用MRF和MPM模型都忽略了瞬態(tài)相互作用，僅限于瞬態(tài)效應(yīng)小的流動如果瞬態(tài)效應(yīng)不能忽略，可以使用SMM方法考慮靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件的相對運(yùn)動wakeinteractionShockinteractionpotential

interactionStatorRotorSMM模型如何工作和MRF模型類似的是，計(jì)算域分為運(yùn)動域和靜止域，由非一致網(wǎng)格界面連接和MRF模型不同的是，每個域的網(wǎng)格是時間的函數(shù)，隨時間改變，這樣使得問題本身就是瞬態(tài)的。另一個和MRF模型不同之處是，控制方程有新的動網(wǎng)格形式，在靜止坐標(biāo)系下求解絕對量沒有使用運(yùn)動坐標(biāo)系形式〔例如，動量方程源項(xiàng)中沒有附加加速度的作用〕方程組是通用的運(yùn)動/變形網(wǎng)格形式的一種特殊情況假設(shè)為剛性網(wǎng)格運(yùn)動和滑移，非一致網(wǎng)格界面cellsattimetcellsattimet+Δtmovingmeshzone動網(wǎng)格方法(DM)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置隨著邊界的運(yùn)動自動計(jì)算根本格式彈簧式(光順)局部重新劃分層鋪式其他方法2.5D用戶定義網(wǎng)格運(yùn)動內(nèi)燃機(jī)網(wǎng)格運(yùn)動(RPM,strokelength,crankangle,…)通過分布或UDF預(yù)先定義的運(yùn)動通過6DOF求解器，把流場求解的氣動力和運(yùn)動耦合起來動網(wǎng)格方法層鋪法

隨著邊界的移動，單元層生成或消失。單元層可以是四邊形/六面體/四面體類型，適合邊界在小范圍或大范圍內(nèi)的線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動局部重劃法

隨著邊界移動，網(wǎng)格扭曲大的區(qū)域網(wǎng)格重新劃分。適用于三角形