资源描述
多相流是两种或两种以上不同相的流体混合在一起的流动多相流是两种或两种以上不同相的流体混合在一起的流动,在日常生活在日常生活和工业领域中广泛存在和工业领域中广泛存在e.g.e.g.石油、化工、电力、机械石油、化工、电力、机械是在烃化物生产、石油精炼、选矿、发电和环境工程等方向是在烃化物生产、石油精炼、选矿、发电和环境工程等方向多项流的概念3l自然界的物质存在固自然界的物质存在固-液液-气状态气状态,多相流可以由这三种形态组合而成多相流可以由这三种形态组合而成 在在CFDCFD分析中分析中,多项流的定义更为广义多项流的定义更为广义:相可以是同一物质形态下由不同相可以是同一物质形态下由不同材料构成的物体材料构成的物体,只要各相之间存在特定的相互作用关系只要各相之间存在特定的相互作用关系,均可认为是多均可认为是多相流相流相的概念GasLiquidSolid4 多相流的组成可包括多相流的组成可包括 气气/液流液流 气气/固流固流 液液/液流，液液流，液/固流固流 气气/液液/固流固流 相的概念Gas-LiquidGas-SolidLiquid-SolidLiquid-Liquid5相对于连续相（液体或气体）来说颗粒（或液滴）相对于连续相（液体或气体）来说颗粒（或液滴）的尺度小很多的尺度小很多因此，这些颗粒物被称之为离散相因此，这些颗粒物被称之为离散相离散相的体积分数可表示为离散相的体积分数可表示为 也可称之为孔隙率也可称之为孔隙率同样，连续相的体积分数可表示为同样，连续相的体积分数可表示为各相的体积分数之和恒等于各相的体积分数之和恒等于1 1Voidage Fraction（颗粒体积分数）dVddVdVcVVdVVdddddlim0VVcVVcddddlim01dc6粒子响应时间是多相流的一个重要性质粒子响应时间是多相流的一个重要性质粒子响应时间的含义为：颗粒（或液滴）受连续相扰动的反应能力粒子响应时间的含义为：颗粒（或液滴）受连续相扰动的反应能力根据斯托克斯理论（根据斯托克斯理论（Re 1 Re 1），粒子响应时间可表示为：），粒子响应时间可表示为：Particle Response Time（粒子响应时间）qppvd182Particle Diameter(m)Response Time(S)0.010.11.010.01007.0 x10-99.0 x10-83.5x10-63.1x10-43.1x10-27 粒子响应时间的另一表粒子响应时间的另一表征量为斯托克斯数征量为斯托克斯数 斯托克斯数被定义为颗斯托克斯数被定义为颗粒的响应时间与主流体粒的响应时间与主流体的特征时间之比的特征时间之比 斯托克斯数可用于衡量斯托克斯数可用于衡量颗粒相和连续相的速度颗粒相和连续相的速度关系，其大小的表征为：关系，其大小的表征为：St 1 St 1St1时时,主流相的流动对颗粒相作用很微弱主流相的流动对颗粒相作用很微弱Particle Stoke Number 颗粒斯托克斯数DvSt8 稀薄流：颗粒相中的每个颗粒（或液滴）均独立运动，它们的运动受拖曳力和稀薄流：颗粒相中的每个颗粒（或液滴）均独立运动，它们的运动受拖曳力和浮升力影响浮升力影响 稠密流：颗粒相中的颗粒（或液滴）运动主要受碰撞影响稠密流：颗粒相中的颗粒（或液滴）运动主要受碰撞影响 相互作用斯托克斯数：颗粒响应时间和碰撞时间的比值相互作用斯托克斯数：颗粒响应时间和碰撞时间的比值-if St 1,if St 1 If St 1 粒子相受强的相间作用影响（颗粒与颗粒间有强的碰撞摩擦等作用）粒子相受强的相间作用影响（颗粒与颗粒间有强的碰撞摩擦等作用）Dilute and Dense Flow(稀薄流和稠密流）Stcvcpppd182rPCvdn219颗粒相与包围其的连续相之间的相互作用形式是决定多项流模型选取颗粒相与包围其的连续相之间的相互作用形式是决定多项流模型选取的决定性因素：的决定性因素：One-way coupling:One-way coupling:粒子相受连续相的影响，但反之则无明显影响粒子相受连续相的影响，但反之则无明显影响 Two-way coupling:Two-way coupling:粒子相受连续相影响，同时粒子相也对连续相有作用粒子相受连续相影响，同时粒子相也对连续相有作用 Three-way coupling:Three-way coupling:粒子相自身存在相互影响（颗粒碰撞粒子相自身存在相互影响（颗粒碰撞）Four-way coupling:Four-way coupling:粒子相自身受接触动力学影响（粒子融合、破碎）粒子相自身受接触动力学影响（粒子融合、破碎）Coupling Regimes（相间耦合方式）Fundamental Definitions:多项流的流动形态多相流动可依据相的组成进行分类：气-液流或液-液流（均为连续相）bubbly flow:discrete gaseous or fluid bubbles in a continuous fluid.droplet flow:discrete fluid droplets in a continuous gas.slug flow:large bubbles in a continuous fluid.Stratified/free-surface flow:immiscible fluids separated by a clearly-defined interface.气-固流（存在离散相）particle-laden flow:discrete solid particles in a continuous gas pneumatic transport:fluidized beds:液-固流（存在离散相）slurry flow:transport of particles in liquids.hydro-transport:densely-distributed solid particles in a continuous liquid.三相流 gas-liquid-solid flows.多项流的流动形态气泡流:absorbers,aeration,air lift pumps,cavitation,evaporators,flotation,scrubbers液滴流:absorbers,atomizers,combustors,cryogenic pumping,dryers,evaporation,gas cooling,scrubbers柱塞流:large bubble motion in pipes or tanks.分层流:sloshing in offshore separator devices,boiling and condensation in nuclear reactors颗粒流:cyclone separators,air classifiers,dust collectors,and dust-laden environmental flows气动输送:transport of cement,grains,and metal powders流化床:fluidized bed reactors,circulating fluidized beds泥浆流:slurry transport,mineral processing水力输运:mineral processing,biomedical and physiochemical fluid systems 沉淀:mineral processingFundamental Definitions:多项流的流动形态泡状流泡状流柱塞流柱塞流搅浑流搅浑流环状流环状流稀疏环状流稀疏环状流垂直管中的气液两相流DropsDrop AnnularAnnularSlug AnnularSlugBubble SlugBubbleLiquid1100.11001101001000Gas Flux(ft/sec)Liquid Flux(ft/sec)Drop AnnularAnnularSlug AnnularBubble SlugSlugBubble注意事项在分析之前，需要用户判断流动的特性：流形相间是离散（存在颗粒相）的还是分层（均为连续相）的次只模拟一种流动形态需要同时模拟多种流态时必须关注软件中的模型是否支持 稀薄 or 稠密 离散相尺度判断颗粒间是否存在相互影响Discrete Particle Model(DPM)离散相模型DPM模型使用拉格朗日参考系来求解离散相流体（主相）被处理为连续相，离散相被处理为大量粒子团的轨迹计算。颗粒（或液滴）的运动轨迹是独立于连续相进行计算的可以计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量/质量传递可以模拟各种涉及离散相的问题，诸如：颗粒分离与分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉燃烧。不适合模拟液-液混合、流化床等第二相体积不可忽略的问题模型假设：离散相的体积分数足够低（10%）但质量分数无限制DEM模型用于模拟颗粒相（如沙粒）内部的相互作用（应力、位移等）假设颗粒相为刚体球的集合，从而模拟颗粒之间的相互作用颗粒间的相互作用基于软球理论 Cundall and Stack(1979)Spring-dashpot model弹簧-阻尼模型 Friction model摩擦模型 弹簧模型能够考虑颗粒间的斥力 由材料的弹性系数决定 阻尼模型考虑了粒子动能的非守恒性 摩擦模型考虑了粒子间的相对运动Discrete Element Method(DEM)离散颗粒模型Eulerian Approach欧拉-欧拉方法中不同的相被处理成互相贯穿的连续介质由于一种相所占的体积无法再被其他相占有，一个确定的流场位置只存在单独的一相，各相的体积率之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系，从而能使上述方程封闭。Eulerian Models:VOF三种欧拉-欧拉多项流模型:volume of fluid(VOF),mixture model,Eulerian model.在欧拉方法的基础上使用界面捕捉技术，主要被用于捕捉多个流体相间的交界面在整个计算域内对不互溶流体求解同一个动量方程组，在每个网格单元内求解每种流体的体积分数来模拟多相流。VOF模型主要适用于下述流动情况：分层流、自由表面流、灌注、晃动、大尺度气泡流、溃坝、液滴破碎（表面张力）Eulerian Models:Mixture ModelMixture模型适用于两种及两种以上的流体构成的多相流各相均按连续流体处理Mixture模型求解混合物的动量方程，根据各相的含量推导出各相的相对速度Mixture模型能够求解包含低体积含量的流体颗粒（气泡、液滴等）的多项流问题当需要求解相间为均匀流动的问题时（各相间无相对速度），可在Mixture模型中关闭relative velocities选项Eulerian Models:Eulerian-EulerianEulerian模型是Fluent里提供的功能最全面，同时也是最复杂的多项流模型Eulerian模型对每一相的控制方程都是独立求解（相对于Mixture模型）相之间的相互耦合由各相的类型决定，每一相的控制方程都与压力和相间交换系数决定 对于颗粒流：相间作用基于分子运动论Eulerian模型可被用于气泡流、气泡浮升、液滴悬浮、流化床等Dense Discrete Phase ModelDense Discrete Phase Model(DDPM)模型是DPM模型和Eulerian模型耦合求解的一种方法，两个模型间依靠动量和质量守恒方程保持一致颗粒相与连续相的作用使用分子运动论的方法计算颗粒相与连续相之间的动量、能量、质量均可进行交换DDPM模型的特点在于 更合理地模拟颗粒相粒径分布 更合理地模拟颗粒相与壁面的相互作用当颗粒相的体积含量较大时，模拟的颗粒相应该在计算网格单元中占据一定的体积，而DDPM能够考虑这种情况DDPM模型可被用于液-液混合情况、流化床等离散相的体积作用不可忽略的情况Multiphase models in FluentDispersed Phase Model(DPM)拉格朗日粒子、气泡、液滴Discrete Element Method(DEM)针对大颗粒运动的模拟Volume of Fluid model(VOF)模拟不相溶解的两相间的自由界面Mixture Model 简化的欧拉模型 适用于分散相的惯性力不强的情况Eulerian Model 适用于大多数多相流情况Dense dispersed phase model(DDPM)拉格朗日+欧拉方法 颗粒相的体积分数上限比DPM模型提高23 结束语结束语
展开阅读全文