利用DPM+Eulerian Wall File模型预测壁面液膜形成及分离现象

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了一个利用DPM+Eulerian Wall File(EWF)模型预测壁面液膜形成及分离现象的案例。EWF模型可用于预测壁面薄液膜的形成及流动，且能够与离散相模型和欧拉多相流模型联合使用。EWF模型仅能用于3D求解器，且假设薄膜沿壁面法向流动，沿壁面法向的薄膜速度分量为零，薄膜沿厚度方向速度分布呈抛物线分布，温度分布呈双线性分布。本案例中，入射水颗粒在壁面上形成液膜并沿台阶流动，且在台阶的边缘位置脱离。计算过程分为三个步骤：Step 1:基本流动计算；Step 2:液膜形成过程计算；Step 3:液膜流动及温度计算。

后向台阶问题常用作评价湍流流动分离及再附预测性能的测试基准。本案例利用DPM+Eulerian Wall File（EWF）模型预测壁面液膜形成及分离现象。

EWF模型可用于预测壁面薄液膜的形成及流动。该模型能够与以下模型联合使用：

• 离散相模型。颗粒被壁面捕捉并形成液膜

• 欧拉多相流模型。次相被壁面捕捉并形成液膜

在EWF模型中，液膜并不利用壁面法向的网格进行求解，而是利用壁面上虚拟薄膜来近似求解。在许多情况下，我们感兴趣的是构建一个可以分离、玻璃及蒸发的液膜模型，而这些薄膜并不会影响到核心流场。在一般的多相流模型中，这种薄膜模型计算量很大，因为在壁面附近需要非常精细的网格以计算薄膜。

EWF模型仅能用于3D求解器，且EWF模型假设薄膜沿壁面法向流动，沿壁面法向的薄膜速度分量为零，薄膜沿厚度方向速度分布呈抛物线分布，温度分布呈双线性分布。

1 问题描述

本案例中，入射水颗粒在壁面上形成液膜并沿台阶流动，且在台阶的边缘位置脱离。如下图所示。

计算过程分三个步骤：

• Step 1：基本流动计算

• Step 2：液膜形成过程计算

• Step 3：液膜流动及温度计算

2 基本流动计算设置

在Step 1中，仅计算空气流动。

2.1 读取网格

• 以3D、Double Precision模式启动Fluent

• 利用菜单File → Read→ Mesh...读取计算网格step.msh

2.2 Models设置

• 右键选择模型树节点Models → Energy，选择弹出菜单项On启用能量方程

• 右键选择模型树节点Models → Viscous，弹出对话框中选择菜单Model → Standard k-epsilon激活湍流模型

2.3 Materials设置

• 鼠标双击模型树节点Materials → Fluid → air，弹出设置对话框，设置Density为ideal-gas

2.4 边界条件设置

1、inlet设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions → Inlet弹出设置对话框，如下图所示设置入口速度为30 m/s

• 切换至Thermal标签页，设置温度为300 k

2、outlet设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions → outlet弹出设置对话框，保持默认设置

• Thermal标签页保持默认设置

3、wall-1设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions → wall-1弹出设置对话框，如下图所示设置壁面温度为350 k

2.5 Initialization计算

• 鼠标右键选择模型树节点Initialization，点击弹出菜单项Initialize进行初始化计算

2.6 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Solution → Run Calculation，右侧面板中设置参数Number of Iterations为300，点击按钮Calculate开始计算

• 利用菜单File → Write → Case & Data...保存文件step1.cas及step1.dat

3 液膜形成计算设置

在第2步中，考虑颗粒注入及液膜形成过程。本案例中，假设流体流动不受颗粒运动影响（流体颗粒之间单向耦合），故流场被冻结，颗粒与流体之间相互作用不被考虑。

3.1入射颗粒

• 鼠标双击模型树节点Models → Discrete Phase → Injections弹出入射口设置对话框

• 颗粒注入参数如下表所示。

• 设置完毕的对话框如下图所示

3.2 边界条件设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions → Wall-1，打开弹出对话框中的DPM标签页，设置Boundary Cond. Type为trap

• 相同方式设置wall-2及wall-3边界

3.3 Models

• 鼠标双击模型树节点Models → Eulerian Wall File打开设置对话框，激活选项Eulerian Film Model，如下图所示设置参数选项

• 进入Solution Method and Control标签页，如下图所示设置参数

3.4 边界条件设置

1、wall-1

• 鼠标双击模型树节点Boundary Condtions → Wall-1，进入对话框中的Wall Film标签页，激活选项Initial Conditions，其他参数保持默认设置

• 相同方式设置wall-2及wall-3边界

3.5 初始化壁膜模型

• 鼠标双击模型树节点Models → Eulerian Wall File打开设置对话框，点击按钮Initiate进行初始化

3.6 取消方程设置

• 双击模型树节点Controls，右侧面板点击按钮Equations...，弹出的对话框中取消所有方程选择

3.7 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Solution → Run Calculation，右侧面板中设置参数Number of Iterations为300，点击按钮Calculate开始计算

计算过程中没有残差曲线，不过可以从TUI窗口中的输出信息查看计算情况。

注意检查参数absorbed，其为壁面吸收的颗粒数量。检查参数max_cfl，确保该数值不能太大，通常该数值小于0.01是可信的，该参数值也可能接近0.5。

• 利用菜单File → Write → Case & Data...保存文件step2.cas及step2.dat

3.8 计算结果

• wall-1、wall-2、wall-3壁面液膜厚度

• 颗粒追踪

4 液膜温度计算

4.1 Models设置

• 鼠标双击模型树节点Models → Eulerian Wall File打开设置对话框，激活选项Solve Energy，点击按钮Initialize重新初始化

4.2 Controls

• 双击模型树节点Controls，右侧面板点击按钮Equations...，弹出的对话框中选择列表项Energy激活能量方程计算

4.3 Monitor

• 鼠标双击模型树节点Monitor → Residual打开残差检测对话框，设置Convergence Criterion选项为none

4.4 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Solution → Run Calculation，右侧面板中设置参数Number of Iterations为6000，点击按钮Calculate开始计算

注：计算时间太长，我这里只计算了2000步就强制停止计算了，后面的结果只迭代了2000次。

4.4 计算结果

• 液膜温度分布

• 壁膜厚度

• 颗粒温度

注：本案例也可以使用颗粒流体双向耦合来做。 

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