1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培訓(xùn)教材第八節(jié)：物理模型安世亞太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China概要n多相流模型 Discrete phase model Eulerian model Mixture model Volume-of-fluid modeln化學(xué)反應(yīng)模型 Eddy dissipation model Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models Detailed chemistry mod

2、els Pollutant formation Surface reactionsn動網(wǎng)格 Single and multiple reference frames Mixing planes Sliding meshes Dynamic meshes Six-degree-of-freedom solverA Pera Global Company PERA China多相流模型A Pera Global Company PERA China簡介n相具有可定義的邊界，對周圍流場有特定的動力響應(yīng) n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）

3、n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Primary PhaseSecondary phase(s)A Pera Global Company PERA China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 / 自由表面流 不相溶的流體被清晰的界面分開，如自由表面流 顆粒流 連續(xù)氣體中的離散固體顆粒，如旋風(fēng)分離器，空氣凈化器，吸塵器 流化床 流化床反應(yīng)器 泥漿流 液

4、體中的固體顆粒，固體懸浮、沉積、液力輸運氣氣/液液液液/液液氣氣/固固液液/固固Pneumatic Transport,Hydrotransport, or Slurry FlowFluidized BedSedimentationStratified / Free-Surface FlowSlug FlowBubbly, Droplet, orParticle-Laden FlowA Pera Global Company PERA ChinaFLUENT中的多相流模型nFLUENT 包括四種不同的多相流模型: Discrete Phase Model (DPM) Volume of Flu

5、id Model (VOF) Eulerian Model Mixture Modeln選擇合適的模型非常重要 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)該考慮進來where and .A Pera Global Company PERA ChinaDPM 例子-噴霧干燥n噴霧干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Contours of Evaporated WaterStochastic Particle Trajectories for Different Initial Diame

6、tersInitial particleDiameter: 2 mm0.2 mm1.1 mmA Pera Global Company PERA China歐拉模型的例子 三維氣泡床Liquid Velocity Vectors Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175z = 5 cmz = 10 cmz = 15 cmz = 20 cmA Pera Global Company PERA China歐拉模型中的粒狀選項n當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Granularn假設(shè)顆粒的行為類似一團密集分子的碰撞行為，對顆粒相使用

7、分子云理論n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Contours of Solids VolumeFraction for High VelocityGas/Sand ProductionGas / SandGasGravityA Pera Global Company PERA China混合模型案例 氣體鼓泡n用混合模型模擬氮氣噴入混合器中的流動，用MRF方法模擬旋轉(zhuǎn)葉片的效應(yīng)nFLUENT 很好的模

8、擬了氣體的停頓和攪動過程。Animation of Gas Volume Fraction ContoursWater Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec.A Pera Global Company PERA ChinaVOF 案例 汽車油箱晃動n模擬不同加速條件下，液體在汽車油箱中的自由液面晃動n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Fuel Tank Without Bafflest = 1.05 sect = 2.05 secFuel Tank With BafflesA

9、Pera Global Company PERA ChinanDiscrete Phase Model唯一的Lagrange方法不考慮粒子間的碰撞不受Stokes數(shù)大小的限制nVOF ModelFLUENT Euler型多相流模型中較簡單的模型（不能模擬粒子運動）相間的分子擴散可以忽略時，能得到較好的結(jié)果可以計算液滴與氣泡的分裂和合成最小液滴與氣泡受網(wǎng)格大小限制nMixture ModelFLUENT Euler型多相流模型中較簡單的模型受Stokes數(shù)大小的限制nMixture Model (Granular)計算負荷比Euler Granular模型要小nEuler Model多相流模型中

10、適用范圍最廣不受Stokes數(shù)大小的限制：有時可以用Mixture Model替代計算費用較大nEuler Granular Model可以考慮粒子的堆積和摩擦計算費用最大所有模型都可以考慮化學(xué)反應(yīng)各種模型的特長A Pera Global Company PERA China化學(xué)反應(yīng)流A Pera Global Company PERA ChinaTemperature in a Gas FurnaceCO2 Mass FractionStream Function化學(xué)反應(yīng)流的應(yīng)用nFLUENT 包含了從計算均相反應(yīng)到非均相反應(yīng)的多個反應(yīng)模型 爐子 鍋爐 熱處理爐 燃氣輪機 火箭發(fā)動機 內(nèi)燃機

11、 CVD, 催化反應(yīng)n反應(yīng)流一般預(yù)測 流動和混合 溫度 組分濃度 顆粒和污染A Pera Global Company PERA China背景知識n模擬燃燒中的化學(xué)反應(yīng) 快速化學(xué)反應(yīng) 全局化學(xué)反應(yīng)機理（有限速率/渦耗散） 平衡/小火焰模型（混合分數(shù)） 有限速率反應(yīng) n流動結(jié)構(gòu) 非預(yù)混反應(yīng)系統(tǒng) 可簡化為混合系統(tǒng) 預(yù)混反應(yīng)系統(tǒng) 冷態(tài)反應(yīng)物傳播到熱的生成物中. Partially premixed systems Reacting system with both non-premixed and premixed inlet streams.FuelOxidizerReactorOutletFu

12、el+OxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorSecondaryFuel or OxidizerOutletA Pera Global Company PERA China化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)流動結(jié)構(gòu)流動結(jié)構(gòu)PremixedNon-PremixedPartially PremixedFast ChemistryEddy Dissipation Model(Species Transport)Premixed Combustion ModelNon-Premixed Equilibrium ModelPartially Premixed ModelReact

13、ion Progress Variable*Mixture FractionReaction Progress Variable+Mixture FractionFinite-Rate ChemistryLaminar Flamelet ModelLaminar Finite-Rate ModelEddy-Dissipation Concept (EDC) ModelComposition PDF Transport ModelFLUENT中反應(yīng)流模型A Pera Global Company PERA China污染物模型nNOx 形成模型（預(yù)測定性的 NOx 形成趨勢） FLUENT 包括

14、三種 NOx 產(chǎn)生機理 Thermal NOx Prompt NOx Fuel NOx NOx 還原模型 選擇性非催化還原模型 (SNCR) l 噴入氨水或尿素n煙灰形成模型 Moos-Brookes 模型 一步模型，兩步模型 煙灰對輻射吸收的影響nSOx 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行A Pera Global Company PERA ChinaDPM模型n描述 顆粒/液滴/氣泡的軌跡在拉格朗日坐標系求解 顆粒和連續(xù)相可以進行熱、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

15、數(shù)必須小于10n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n應(yīng)用范圍 顆粒分離、分級、噴霧干燥、浮質(zhì)沉積、氣泡噴射、液體燃料和煤粉燃燒.A Pera Global Company PERA China表面反應(yīng)n對于化學(xué)組分沉積到表面的反應(yīng)，將沉積的組分處理為和氣相組分不同的另外一種組分n對每個吸收表面組分求解地點平衡方程 可以考慮詳細表面反應(yīng)機理（任意的多步反應(yīng)，任意數(shù)量的氣相組分/沉積組分） CHEMKIN 中的表面反應(yīng)機理可以讀入 FLUENT. 表面反應(yīng)可以在壁面或多孔介質(zhì)中發(fā)生 可以在不同的表面定義不同的表面

16、反應(yīng)機理n應(yīng)用案例 催化反應(yīng) CVD（化學(xué)沉積）A Pera Global Company PERA China總結(jié)n對反應(yīng)流動，有四個基礎(chǔ)的教程 組分傳輸和氣相燃燒 非預(yù)混燃燒 表面化學(xué)反應(yīng) 液滴揮發(fā)A Pera Global Company PERA China動網(wǎng)格A Pera Global Company PERA China動網(wǎng)格簡介n許多問題需要考慮平移或旋轉(zhuǎn)的部件n對移動域，有兩種基本的模型方法: 運動的參考坐標系 參考坐標系和運動域聯(lián)系在一起 修正控制方程來考慮運動坐標系 運動/變形域 域的位置和形狀在靜止坐標系下跟蹤 求解本質(zhì)上是瞬態(tài)的A Pera Global Compan

17、y PERA China運動域的CFD模型方法 單參考坐標系單參考坐標系(SRF)多參考坐標系多參考坐標系(MRF)混合平面法混合平面法(MPM)滑移網(wǎng)格滑移網(wǎng)格 (SMM)運動坐標系運動坐標系運動域運動域運動運動 / 變形網(wǎng)變形網(wǎng)格格 (MDM)A Pera Global Company PERA China單參考坐標系模型 (SRF)nSRF 把單一的運動域和一個坐標系連接起來 所有的流體域在運動坐標系下定義 旋轉(zhuǎn)坐標系引入了附件加速度n為什么要使用運動坐標系? 在靜止坐標系下流場是瞬態(tài)的，使用旋轉(zhuǎn)坐標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

18、理的分析CentrifugalCompressor(single blade passage)*注意: 在旋轉(zhuǎn)坐標系下有時依然有瞬態(tài)現(xiàn)象，如湍流、周期非平衡、分離、渦脫落等A Pera Global Company PERA China多參考坐標系模型 (MRF)n包括有靜止域和運動域的多域問題，此時，單參考坐標系不適合n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n域之間通過交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)n對交界面的處理方式分為以下幾種：多參考坐標系模型 (MRF)混合平面模型 (MPM)滑移網(wǎng)格模型 (SMM)interfaceMultiple Component(blower whee

19、l + casing)穩(wěn)態(tài)（近似）穩(wěn)態(tài)（近似）瞬態(tài)（精確）瞬態(tài)（精確）A Pera Global Company PERA China混合平面模型 (MPM)nMPM方法是對多級軸流和離心旋轉(zhuǎn)機械的穩(wěn)態(tài)解法 也適用于其他一般問題n域有多個單通道、旋轉(zhuǎn)或靜止流體域組成 每個域有自己的進口、出口、壁面和周期邊界（每個域是一個SRF模型）n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Mixing plane(Pressure outlet linked wi

20、th a mass flow inlet)MPM的優(yōu)勢的優(yōu)勢:只需要一個流道，和葉片數(shù)量無關(guān)只需要一個流道，和葉片數(shù)量無關(guān)A Pera Global Company PERA China滑移網(wǎng)格模型 (SMM)n旋轉(zhuǎn)機械中，靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件的相對運動導(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nMRF 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n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)部件的相對運動wake interactionShockinteractionpotential interactionS

21、tatorRotorA Pera Global Company PERA ChinaSMM模型如何工作n和 MRF 模型類似的是，計算域分為運動域和靜止域，由非一致網(wǎng)格界面連接n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。n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，在靜止坐標系下求解絕對量 沒有使用運動坐標系形式（例如，動量方程源項中沒有附加加速度的作用） 方程組是通用的運動/變形網(wǎng)格形式的一種特殊情況 假設(shè)為剛性網(wǎng)格運動和滑移，非一致網(wǎng)格界面cells at time tcells at time t + tmoving mesh zoneA Pera Global Company PERA China動網(wǎng)格方法 (DM)n內(nèi)部節(jié)點位置隨著邊界的運動自動計算n基本格式 彈簧式 (光順) 局部重新劃分 層鋪式n其他方法 2.5 D 用戶定義網(wǎng)格運動 內(nèi)燃機網(wǎng)格運動 (RPM, stroke length, c