多相流数值计算

FLUENT计算两相流相关问题：

通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；

两相流的研究：对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质而把颗粒群作为离散体系；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。

引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian坐标或空间坐标。 离散相模型

FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；

离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等； 应用范围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等；

颗粒颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑； 湍流中颗粒处理的两种模型：

Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响； Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个平均轨道。 多相流模型

FLUENT中提供的模型： VOF模型(Volume of Fluid Model) 混合模型(Mixture Model) 欧拉模型(Eulerian Model)

1.VOF模型(Volume of Fluid Model)

VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为α1，如果α1=0，表示该控制容积中不含第

一相，如果α1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果0<α1<1，表示该控制容积中有两相交界面；VOF方法是用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，其方法占内存小，是一种简单而有效的方法。 2.混合模型(Mixture Model)

用混合特性参数描述的两相流场的场方程组称为混合模型；

考虑了界面传递特性以及两相间的扩散作用和脉动作用；使用了滑移速度的概允许相以不同的速度运动；用于模拟各相有不同速度的多相流；也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流； 缺点：界面特性包括不全，扩散和脉动特性难于处理。 3.欧拉模型(Eulerian Model) 欧拉模型指的是欧拉-欧拉模型；

把颗粒和气体看成两种流体，空间各点都有这两种流体各自不同的速度、温度和密度，这些流体其存在在同一空间并相互渗透，但各有不同的体积分数，相互间有滑移；颗粒群与气体有相互作用，并且颗粒与颗粒之间相互作用，颗粒群紊流输运取决于与气相间的相互作用而不是颗粒间的相互作用；各颗粒相在空间中有连续的速度、温度及体积分数分布。 怎样选择？

1.VOF模型适合于分层流动或自由表面流；Mixture和Eulerian模型适合于流动中有混合或分离，或者离散相的体积份额超过10%－12％的情况。 2.Mixture模型和Eulerian模型区别

如果离散相在计算域分布较广，采用Mixture模型；如果离散相只集中在一部分，使用Eulerian模型；当考虑计算域内的interphase drag laws 时，Eulerian模型通常比Mixture模型能给出更精确的结果。 FLUENT多相流模型 分类

1、气液或液液流动

气泡流动：连续流体中存在离散的气泡或液泡 液滴流动：连续相为气相，其它相为液滴

栓塞（泡状）流动：在连续流体中存在尺寸较大的气泡

分层自由流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。 2、气固两相流动

粒子负载流动：连续气体流动中有离散的固体粒子

气力输运：流动模式依赖，如固体载荷、雷诺数和例子属性等。最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床以及各相同性流。

流化床：有一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器进入筒内，从床底不断冲入的气体使得颗粒得以悬浮。 3、液固两相流动

泥浆流：流体中的大量颗粒流动。颗粒的stokes数通常小于1。大于1是成为流化了的液固流动。

水力运输：在连续流体中密布着固体颗粒

沉降运动：在有一定高度的盛有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质随后，流体会出现分层。 4、三相流

以上各种情况的组合 多相流动系统的实例

气泡流：抽吸、通风、空气泵、气穴、蒸发、浮选、洗刷。

液滴流：抽吸、喷雾、燃烧室、低温泵、干燥机、蒸发、气冷、洗刷。 栓塞流：管道或容器中有大尺度气泡的流动 分层流：分离器中的晃动、核反应装置沸腾和冷凝

粒子负载流：旋风分离器、空气分类器、洗尘器、环境尘埃流动 气力输运：水泥、谷粒和金属粉末的输运 流化床：流化床反应器、循环流化床 泥浆流：泥浆输运、矿物处理

水力输运：矿物处理、生物医学、物理化学中的流体系统 沉降流动：矿物处理。 多相流模型的选择原则 1、基本原则

1)对于体积分数小于10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用离散相模型。

2)对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超出10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用混合模型或欧拉模型。 3)对于栓塞流、泡状流，采用VOF模型 4)对于分层自由面流动，采用VOF模型

5)对于气动输运，均匀流动采用混合模型，粒子流采用欧拉模型。 6)对于流化床，采用欧拉模型

7)泥浆和水力输运，采用混合模型或欧拉模型。 8)沉降采用欧拉模型

9)对于更一般的，同时包含多种多相流模式的情况，应根据最感兴趣的流动特种，选择合适的流动模型。此时由于模型只是对部分流动特征采用了较好的模拟，其精度必然低于只包含单个模式的流动。 2、混合模型和欧拉模型的选择原则

VOF模型适合于分层的或自由表面流，而混合模型和欧拉模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的体积分数超过10%的情况（小于10%可使用离散相模型）。

1)如果分散相有宽广的分布（如颗粒的尺寸分布很宽），最好采用混合模型，反之使用欧拉模型。

2)如果相间曳力规律一直，欧拉模型通常比混合模型更精确；若相间曳力规律不明确，最好选用混合模型。

3)如果希望减小计算了，最好选用混合模型，它比欧拉模型少解一部分方程；如果要求精度而不在意计算量，欧拉模型可能是更好的选择。但是要注意，复杂的欧拉模型比混合模型的稳定性差，可能会遇到收敛困难。 选用FLUENT多相流模型的几个要点。

多相流的计算，首先是要对要研究的问题要有一个比较详细的了解。你对模拟过程了解多少，可能的结果是什么。可以想象一下你模拟的过程，你想要得到的结果侧重点在哪里，等等。然后根据问题选择不同的多相流模型。由于不同的模型适合不同的模型，因此首先要对FLUENT各个多相模型有一明确的概念，你如何简化问题，另外，网格的划分很重要。尽量采用简单的网格。网格的疏密程度，那些地方要细，那些地方可以疏些，等等。好的前处理对获得快速收敛的解非常

非常重要！

关于FLUENT不同多相流模型的选择和比较：

1)对DPM模型，采用的是Lagraian-Eulerian方法。粒子的运动是按Lagrarian方法，连续流体的计算是按Eulerian方法。DPM可以跟踪单独粒子的运动轨迹。但该方法不考虑粒子对连续流体运动的影响，所以只适用于粒子体积占总体积不大于10%的情况。 2)VOF模型。

该模型能够比较好的反映多相流之间的界面情况。比如大的气泡以比较慢的速 度在液体中流动，气液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各项物性参数，如密度，粘度等，是各相物性的体积平均值，所以要求各相的速度之间差别不能太大，否则会对计算结果的精度影响很大。一般情况VOF采用非稳态模拟比较好。主相的体积值不是从体积守恒方程得到的，而是1减去其他离散相的值。 3)Mixture模型。此模型考虑了离散相和连续相的速度差，及相互之间的作用。但相与相之间是不相容的。动量方程及连续方程等中各物性参数采用的是各相体积平均值。主相的体积值不是从体积守恒方程得到的，而是1减去其他离散相的值。

4)Eulerian模型。此模型可以对各相进行单独的计算，每相都有单独的守恒方程。据有很大的适应性。但代价是由于要对各相都要进行独自计算迭代，计算机时是很巨大的。故Mixture是Eulerian模型的一种折衷 计算模型：

1、求解器：VOF模型不能使用coupled solvers求解器，必须使用segregated solver求解器。

2、湍流模型：VOF不能用于无黏流，也不能用于大涡模拟。 3、两相流界面的相互作用？

主相和第二相的设定：对于区域一部分中的一相，如果计划其初始体积份额为1，指定这个相为第二相更为方便；如果一相是可压缩的，为了提高解的稳定性，建议指定它为主相。

对于VOF的参考压强位置最好设置在永远是100%最小密度流体的位置，这样才能达到好的收敛。

设置工作流体的密度时，最好选择为最轻相的密度，这样排除了水力静压的积累，如果任何一相都是可压缩的，设置工作密度为零。 对于液体和Ma小于0.3的气体都可以近似看成不可压流体。 板式换热器模型总结

北京化工大学蔡毅建立与人字形波纹板片完全相同的。含分配区和传热区冷热双流道换热的计算模型，数值模拟4组不同名义速度下流体的流动和换热情况。

天津大学张晶建立1000mm数量级冷热双流道的人字形板式换热器整板片的流动及换热计算模型，利用Fluent软件对集中供暖系统中的水-水换热工况进行模拟研究，分析冷热流体在换热器中的流动形态及换热情况；同时建立200mm×200mm冷热双流道的局部计算域模型，对不同波纹倾角、波纹截距

丰板片单元进行模拟分析。

浙江大学崔立祺建立了人字形波纹板换热器主流区的模型，系统分析三个重要几何参数-波纹倾角、波纹深度、波纹间距对换热器内部温度场、压力场、速度场的影响，进而分析其对人字形波纹板板式换热器传热和阻力影响。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k0so.html