【CFD小贴士】封闭域内浮力驱动的自然对流_Fluent_多相流_燃烧_UM_材料

【CFD小贴士】封闭域内浮力驱动的自然对流

濮小川CFD

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概述

由于重力作用在密度变化上，产生了浮力驱动流动。当密度变化是由温度引起时，这种浮力驱动的流动称为自然对流流动。

封闭域内自然对流的求解

当在一个封闭域内建立自然对流模型时，求解值将取决于计算域内的质量。因为除非密度已知，否则不知道质量，须采用以下方法之一来模拟流动:

执行瞬态计算。在这种方法中，初始密度将由初始压力和温度计算，因此初始质量是已知的。随着时间的推移，这个质量将趋于守恒。如果域内的温差很大，就必须采用这种方法。
使用Boussinesq模型进行稳态计算。在这种方法中，将指定一个恒定的密度，所以质量是适当指定的。这种方法只有在域内的温差很小时才有效。如果没有，则使用瞬态方法。

注：对于一个封闭的区域，只能在一个固定操作压力下使用不可压缩理想气体定律。它不能与浮动操作压力一起使用。只可以在浮动或固定的操作压力下使用可压缩理想气体定律。

Fluent提供“floating operating pressure浮动操作压力”选项来处理与时间相关的可压缩流动，其绝对压力在该区域逐渐增加。对于静压积聚的缓慢亚音速流动，这种选择是可取的，因为它有效地解释了绝对压力的缓慢变化，而不使用声波作为压力积聚的传输机制。（如气体在封闭域内的燃烧或加热、气体泵入封闭域），浮动操作压力选项不应用于跨声速或不可压缩流动。此外，如果模型包括pressure inlet，pressure outlet，exhaust fan, inlet vent，intake fan，outlet vent，pressure far field boundaries，它不能使用。

Boussinesq模型

对于许多自然对流，用Boussinesq模型可以得到比用流体密度作为温度函数建立问题更快的收敛速度。除动量方程中的浮力项外，该模型在所有求解方程中把密度视为常数。

式中，ρ0为流体(恒定)密度，T0为操作温度，β为热膨胀系数。方程是通过使用Boussinesq近似得到的。ρ=ρ0(1-β△T)，从浮力项中消除ρ。只要实际密度变化很小，这种近似是准确的;具体地说，当β(T-T0) ≤1时，Boussinesq近似有效。

局限性：如果计算域内温差较大，不应采用Boussinesq模型。此外，它不能用于组分计算、燃烧或反应流动模拟。

求解浮力驱动流动 Buoyancy-Driven Flow问题的一般步骤

由于存在热量传递的计算，因此启用能量方程
在“operating conditions”对话框中定义操作条件

启用“Gravity”选项。
在每个笛卡尔坐标方向的X、Y、Z中输入适当的值。
如果使用不可压缩理想气体定律，操作压力设置为一个适当的(非零)值。
根据是否使用Boussinesq假设，指定如下所述的适当参数:

未采用Boussinesq假设

对于单相流，在“Operating Conditions”对话框中启用“Specified Operating Density”选项，并输入“Operating Density”值。对于具有浮力的可压缩(理想或实际)气体模型，应该指定操作密度为零。
对于多相流，ANSYS Fluent默认使用最小相平均操作密度法(minimum-phase-averaged operating density)。如果需要提供自己的输入，请在“Operating Conditions”对话框的“operating density”下拉列表框中选择user-input式，并输入密度值。

将流体密度定义为温度函数

采用Boussinesq假设

i.在“Operating Conditions”对话框中输入操作温度(公式中的T0)。

ii.在“Create/Edit Materials”对话框的“Density”下拉列表中选择boussinesq，如使用温度相关函数定义属性或输入一个常量。

iii.在“Create/Edit Materials”对话框中，为流体材料输入适当的热膨胀系数(公式中的β)。

注：如果模型涉及多个流体材料，则可以选择是否对每个材料使用Boussinesq模型。因此，可能有一些使用Boussinesq模型的材料，而其他的没有。在这种情况下，需要设置上述步骤中描述的所有参数。如果所有流体材料使用Boussinesq假设，则操作密度ρ不会出现在动量方程的body-force项中。因此，不需要指定它。

3.定义边界条件

在入口和出口边界指定的压力是根据公式重新定义的压力。一般来说，如果没有外部施加的压力梯度，应该在ANSYS Fluent模型的进出口边界输入相等的压力p'。

当不使用Boussinesq近似时，在动量方程的body-force项中，操作密度ρ0是指(ρ-ρ0)g。这种形式的body-force项遵循Fluent中压力的重新定义

4.设置Solution Methods

如果使用基于压力的求解器，在Spatial Discretization下的压力选择PRESTO!
如果有必要，添加壁面边界层。

来源：CFD仿真区

【Fluent案例20】使用拉格朗日壁膜进行喷涂模拟

概述喷涂沉积工艺用于许多工业应用，主要是在表面涂层领域。喷漆可以在任何无孔材料上进行，如木材、金属、玻璃、陶瓷或塑料。喷漆包括油漆、油漆溶剂、清漆、真漆、染料、金属氧化物、胶粘剂涂料、弹性体涂料、污渍和抛光剂的喷涂应用。本案例使用ANSYS Fluent离散相模型(DPM)建立求解圆管液膜形成模拟，并提供一些指导和建议。几何模型在ANSYS SCDM建立，ANSYS Mesh划分六面体网格。1无喷雾建模（未开启DPM模型）瞬态求解开启能量方程设置湍流模型材料保持默认空气设置操作条件边界条件设置外壁面采用pressure-outlet，参数保持默认圆管采用wall边界，参数保持默认Solution Methods和Solution Controls保持默认采用标准初始化默认参数进行初始化设置求解参数，点击Calculate求解完成，保存cas和dat文件2无蒸发喷雾开启DPM模型Setup→Models→Discrete Phase（未显示标签页，保持默认）注：点击Stochastic Collision（随机碰撞）后，Coalescence（聚合）将被自动选择。设置InjectionSetup→Models→Discrete Phase→Injections创建材料Setup→Materials→Inert Particle在Droplet Surface Tension下选择piecewise-polynomial，保持默认参数，点击OK设置边界条件输出颗粒数据File→Export to CFD-Post接上一阶段，开始计算计算结束后，保存源文件File → Write → Case&Data...：spray_inert_end.cas.gz后处理显示液膜厚度来源：CFD仿真区