Fluent软件中可用的六种液体破碎模型

在许多工业应用中，注入的液滴不会保持恒定的形状，由于体力和水力不稳定性，会发生变形。因此，破碎会将父液滴分解成更小的子液滴。最著名的应用是在喷雾和雾化中。

初级和次级破碎

雾化机制可以分为四个主要机制。Rayleigh机制，第一和第二风诱导，被称为初级破碎Primary breakup（喷射破碎）。它发生在喷射表面的波不稳定性。雾化机制被归类为次级破碎secondary breakup（液滴破碎）。它由水力不稳定性和体力引起。    

韦伯数

流体力学中有一个无量纲数称为韦伯数（We），它被描述为变形惯性力与稳定内聚力之间的比率：

因此，较高的韦伯数意味着低表面张力或高空气动力学力，导致更多的破碎，反之亦然。

Fluent软件破碎模型

为了进入ANSYS Fluent破碎模型，应从离散相模型对话框中激活破碎。请注意，非稳态粒子跟踪将自动激活。

DPM => Physical Models => Breakup    

然后，破碎模型将在注入设置中可用：

Injection => Physical Models => Breakup Model    

ANSYS Fluent提供了六种破碎模型：

1. TAB
2. Wave
3. KHRT
4. SSD
5. Madabhushi
6. Schmehi

 

1) TAB破碎模型

当液滴尺寸达到临界值时，父液滴分解成几个子液滴。发生破碎所需的条件如下定义。    

其中x是液滴从球形状态的水平变形，C_b是常数值等于0.5，y是液滴变形，r是球形液滴半径。y参数作为时间的函数在求解方程时输入，并通过对应用不同力来影响它；最重要的是阻力。

在这个过程中，通过改变液滴的形状，阻力系数的球形状态也会改变，在这种情况下，使用动态阻力模型dynamic drag model。

通过改变液滴形状，Ansys Fluent可以使用动态阻力模型，以在喷雾建模中获得准确的解决方案。这个模型也与其他破碎模式兼容。其他阻力模型假设域中的液滴形状保持球形。对于球形液滴的动态阻力模型，阻力系数从以下方程获得：

随着韦伯数的增加，液滴的形状将从球形变为盘状，因此随着形状的变化，阻力将增加，使用球形模型将不令人满意。使用这个模型，液滴变形的影响与以下关系从球形到盘的1.54变化线性：    

y是液滴变形，然后在破碎模型中进行检查。

在ANSYS Fluent中，必须在下图中的输入两个参数，并在红色框中输入。y0的值表示粒子在计算域中注入时的初始变形，较大值表示破碎操作的加速。此外，这个数字的范围在零和一之间变化。

破碎颗粒的值还表示破碎后父液滴和子液滴的总和。例如，如果破碎颗粒等于6，那么在分裂后将有一个父液滴和5个子液滴—另一个例子在下图中解释：

 

2) Wave破碎模型

在这种方法中，注入液体的破碎过程与液相和气相之间的相对速度有关，适用于具有高韦伯数（We>100）的流动。该模型暗示破碎周期和随后的液滴尺寸与Kelvin-Helmholtz不稳定性有关。此外，它产生的液滴更多，与TAB模型相比，导致计算成本更高。

Kelvin-Helmholtz不稳定性是一种流体不稳定性，当单一连续流体中存在速度剪切或流体界面上的速度差异时会发生。

破碎液滴的颗粒半径（子）从以下方程获得：

该模型的值是常数，等于0.61。

父液滴半径的变化率如下：

Λ和Ω是最大增长率和波长。在上述关系中，定义了两个无量纲参数如下：

在上述方程中，索引1代表液相，索引2代表气相。

父液滴在破碎时间被压缩，直到失去的质量等于原始父液滴质量的5%。此时形成了一个具有一定半径的新颗粒液滴。新的颗粒在位置、温度、材料等方面与父颗粒相似，但它们的速度和半径将不同。新颗粒中的速度分量与父颗粒的速度向量垂直，在随机方向上，但两个的大小相同。    

 

3) KHRT破碎模型

KHR-RT（Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor破碎模型）模型考虑了由于液滴加速引起的空气动力学破碎和不稳定性之间的相互作用。此模型适用于高韦伯数，不推荐用于低压喷雾。

KHRT模型，像上面提到的波模型一样，旨在处理核心液体喷射的第一次破碎。Rayleigh机制表现出与上面讨论的波模型相同的行为。

两种方法（Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor）通过测量液滴表面的波发展来模拟液滴破碎，破碎是由局部情况下最快增长的不稳定性引起的。KHRT模型的核心长度代表近喷嘴区域的液体核心，使由于Kelvin-Helmholtz波产生的破碎成为可能。    

KHRT模型假设在喷嘴输出流中心有大的相互连接的液滴，它们逐渐在流向流出方向移动时分裂成更小的液滴，导致突然加速。这是Rayleigh Taylor不稳定性在进入自由流流时起作用的地方。流体核心区域的长度从Levitch关系获得：

C₀是Levitch常数。较大值表示更长的破碎长度，d₀是喷嘴的参考直径。d₀根据注入类型取不同的值。对于雾化器注入，此值直接输入到软件中。对于固体锥形注入，应用锥体的内径。对于其他类型的锥形注入，插入最小液滴直径。在表面注入中，使用等效的水力直径的表面积来获得d₀。当使用Rosin-Rammler分布进行非雾化器注入时，Rosin-Rammler近似中定义的最大直径被视为参考直径。

这种类型的破碎通过注入部分中插入的平均直径确定。最好从以下方程计算并输入平均直径。

这里C_a收缩系数是。此外，要停用液体核心近似，C_L输入值为0。    

这里C_τ是Rayleigh-Taylor破碎时间常数，默认值为0.5。

当Rayleigh-Taylor波增长的时间超过破碎时间τ_RT时，破碎就会发生。

较小的子液滴半径使用以下计算：

其中C_RT是破碎半径常数。C_RT较小将使RT破碎更快并产生较小的液滴，默认值为0.1。

KH和RT效应都在液体核心外估算，并考虑破碎。当液滴加速度高时，RT不稳定性上升得更快，在高韦伯数喷雾中占主导地位。只有在累积脱落颗粒质量超过 5% 的起始颗粒质量时，才会在任何情况下形成新的颗粒。

 

4) SSD破碎模型

TAB和WAVE破碎模型通过单一直径尺度确定破碎，而SSD（Stochastic Secondary Droplet ，随机次级液滴）模型考虑了一个随机直径分布。在SSD模型中，破碎的可能性与父液滴的大小无关，次级液滴的大小是通过概率分布的Fokker-Planck方程的解析解来选择的。

破碎模型预测破碎时间以及新滴的数量和特性。具有临界半径或以上的液滴容易破碎：    

在这个关系中输入了临界韦伯数的值，默认值为6。

破碎时间定义为：

其中B是用户提供的破碎常数，默认值为1.73。

 

5) Madabhushi破碎模型

简而言之，Madabhushi是WAVE模型和Plich和Erdman的破碎理论的结合。液滴以恒定直径注入，与喷射直径相同。在形成液柱后，柱破碎时间（t_cb）发生初级破碎。C₀是柱破碎时间常数，u_g是横流的气体速度，rho_l和rho_g分别是液体和气体的密度。

在初级阶段破碎中，模型遵循波模型。在阶段期间，子液滴被脱落。随后，子液滴经历基于Plich & Erdman理论的后续破碎（次级破碎）。您需要指定B₀，B₁，C₀，ligament factor韧带因子，jet diameter喷射直径和column drag柱阻力。此外，韧带因子调整从柱破碎产生的子液滴的直径。  

 

6) Schmehl破碎模型

 Schmehl的破碎模型是一个考虑了三种不同破碎机制的新复杂模型。它为每个机制都有一个特定的控制方程。此外，区分标准是文章前面描述的局部韦伯数。