Comsol管道内部颗粒追踪模拟
关键词：粒子追踪；粒子物理；管道流；仿真设计
粒子追踪是一种数值方法，通过求解体系中每个粒子的位置随时间变化的运动学方程来计算其运动轨迹。粒子追踪可以模拟的粒子包括离子、电子、生物细胞、沙粒、弹丸、水滴、气泡，甚至行星或恒星，同时也可以添加粒子受到的各种力，例如，带电粒子在电磁场中所受的电场力和磁场力，或者运动的灰尘颗粒受到地球的重力和大气的阻力等。
热流Es | 供稿
小苏 | 编辑
赵佳乐 | 审核
一、管道流
管道流是在管道内的流体流动，是化工生产中最常见的流动形式。常应用在园林设计和水力学中等领域。
由于流动流体被固体边界所包围，常称为流动的内部问题。管道常用于输送流体，又是构成化工设备（如管壳式换热器、列管式固定床反应器等）的基本部件；加之管道几何形状简单，便于理论研究，所得结果还可为了解其他流动所借鉴。因此，研究管流在实践上和理论上都是很重要的。两千多年前人类已能大规模利用管道系统供水。现代更普遍使用管道输送各种液体、气体和复杂的混合物。根据管中流体的流动状态，管流可分为层性管流和湍性管流。
1. 水力学中的管流
液体充满管道内部的流动。设计管道或管系时必须进行管流的水力计算。管流的主要问题是确定流量和水头，计算沿管线各断面的压强。
管流按液体速度的恒定性可分为：速度随时间变化的非恒定管流和速度不随时间变化的恒定管流；按管道局部损失能否忽略分为：沿程损失占绝对优势、局部损失可以忽略不计的长管和局部损失占相当数量不能忽略不计的短管；按管道布置分为管径及管道类型均不变化又无分支的简单管道，以及由两根以上管道组合成的复杂管道，如串联、并联管道、枝状或环状管网。水力计算，均以恒定流为基础。
2. 园林设计中的管流
水从管状物中流出称为管流。这种人工水态主要构思于自然乡野的村落，常有以挖空中心的竹秆，引山泉之水，常年不断地流入缸中，以作为生活用水的形式。
近代园林中则以水泥管道，大者如糟，小者如管，组成丰富多样的管流水景。返回自然已成为当前园林设计的一种思潮，因而在借用农村管流形式有同时，也将农村的水车形式引入园林，甚至在仅有1m多宽在橱窗中也设计这种水体，极大地丰富了城市环境的水景。
图1. 管道内部颗粒流动
二、物理建模
根据某弯曲管道尺寸绘制的三维模型如图2所示。仿真过程需设置管道内水的密度和动力粘度，为保证结果准确性，材料参数从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。
图2. 几何模型
图3. 材料参数
三、物理边界条件
流场边界条件
（1）流体材料属性来自水的材料参数；
（2）初始流速和压力均为0；
（3）管道外部设置无滑移壁；
（4）左侧设置入口速度边界，右侧设置出口压力边界。
流体流动颗粒追踪边界条件
（1）管道外部设置冻结壁；
（2）粒子属性设置管道颗粒粒子密度、粒径大小及所带电荷量；
（3）左侧设置入口颗粒质量流量流入边界，右侧设置出口颗粒消失边界；
（4）曳力来源于流体内部的斯托克斯作用力，实现流体流动颗粒追踪和流体流动条件的耦合。
图4. 物理场边界条件
根据有限元法求解原理，网格剖分越精细，计算结果求解越准确。数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，计算过程采用四面体网格和边界层网格对弯曲管道模型进行划分，具体网格分布如图5所示。
图5. 计算网格
四、结果展示
采用瞬态全耦合求解器进行求解，通过计算得到管道内部流场、颗粒轨迹和所选截面流场分布如下图所示。
图6. 速度分布
图7. 压力分布
图8. 流线分布
图9. 颗粒轨迹分布
图10. 截面流场分布
