cpfd barracuda 24.0 help 中文(第六章、颗粒相设置)

6。颗粒    

在颗粒部分中，指定了要模拟的颗粒的所有信息。这些信息包括颗粒大小、固体、液体和挥发性材料成分、颗粒堆积，以及颗粒阻力、碰撞和相互作用的模型。以下部分详细介绍了颗粒相互作用，阻力模型的管理，挥发物的规格和颗粒种类。

不可压缩流动

在流体类型设置为不可压缩的模拟中，颗粒部分将更改为颗粒和气泡。在颗粒种管理器中会有一个添加气泡物种的选项。更多信息可以在气泡部分找到。

颗粒种类是进入模拟域的具有相同组成、密度和粒度分布的颗粒群。每个颗粒种类都有一个唯一的ID号，用于定义在系统内初始化的颗粒（参见 Particle ICs
）或颗粒给料（参见 Pressure BCs, Flow BCs, and Injection BCs）。颗粒的组成和密度仅适用于颗粒的初始状态，并可能因化学反应或模拟过程中挥发性组分的释放而发生变化。

在Barracuda中，颗粒可以由多种固体和/或挥发性材料组成，允许复杂的化学反应或挥发性流体释放包括在流体-颗粒系统的模拟中。假设一个颗粒内的所有物质均匀分布，假设一个颗粒内的所有物质都可用于化学反应，没有任何传质障碍。

挥发物挥发物是一组被捕获的气体物质或化学结合的气体物质，它们包含在一个颗粒种类中。在模拟过程中，挥发物以确定的速率释放，该速率影响颗粒密度以及周围流体的组成和体积。

在Barracuda模拟中初始化计算颗粒时，使用蒙特卡罗方法为颗粒分配粒径。该方法使用一个随机数，根据为物种定义的粒径分布（PSD）来确定初始化颗粒的大小。因此，在模型中提供足够数量的计算颗粒以准确表示所定义的粒径分布是很重要的。
    

所有颗粒都假定为球形，因此颗粒质量和体积的计算是基于颗粒半径的。颗粒半径与颗粒体积的关系可以用球体体积方程来表示。

(6.1)

虽然颗粒被假定为球形，但对于计算各种颗粒非球形阻力模型（参见阻力模型）、颗粒与流体的传热面积和依赖于表面积的化学反应时（参见速率系数），可以定义非零球形度。在Barracuda中，球形度定义为：

Ψ=球体比表面积与颗粒比表面积的比值          (6.2)

颗粒密度颗粒和流体之间的相互作用强烈地依赖于颗粒密度。常用的颗粒密度有三种定义：真密度、颗粒密度和体积密度。（第五章译者提示中强调了这部分内容）

§
真密度（Skeletal density）——颗粒的真密度是颗粒的质量除以颗粒内固体的体积。多孔颗粒内部的流体质量和体积不包括在真密度的计算中。因为大多数颗粒在现实中都有一定程度的孔隙度，所以在基础材料窗口中定义颗粒时，这个值很少是正确的。然而，基础材料库中的一些物种默认使用真密度，所以一定要检查你的定义中使用的密度是否与你的现实世界系统一致。也被称为绝对密度，真实密度。

§
颗粒密度（Particle density）——颗粒密度是颗粒的质量除以颗粒的体积。对于多孔颗粒来说，颗粒的体积既包括颗粒内固体的体积，也包括颗粒内部空白空间的体积。在Barracuda中，在基础材料窗口中定义颗粒时使用颗粒密度。也称为包络密度。
    

§
堆积密度（Bulk density）——颗粒集 合的堆积密度被定义为颗粒的质量比所占用空间的总体积。这个总体积包括颗粒的体积和间隙颗粒空间中流体的体积。也称为表观密度或体积密度。

不幸的是，这些术语和定义在不同的资料中并不一致，而且经常是矛盾的。但是，上面的列表是如何在Barracuda上下文中定义这些术语的。

颗粒密度、体积密度和颗粒紧密堆积体积分数之间存在如下关系：

其中:

θ_CP为颗粒紧密堆积体积分数

ρ_bulk为堆积密度

ρ_particle为颗粒密度

对于Barracuda中的多材料颗粒，颗粒密度是构成颗粒的材料类型和数量的函数。在模拟过程中，由于化学反应和挥发性组分的释放，颗粒的颗粒组成可能会发生变化。因此，在模拟过程中，颗粒密度不是一个常数。对于每个颗粒，密度是根据颗粒的总质量（mparticlemparticle）和颗粒的体积（vparticleparticle）计算的，

 (6.3)

其中:

msolid,i为固体组分的质量

mvolatile,i是挥发性成分的质量

Vsolid,i是固体组分的体积

Vvolatile,i是挥发性组分的体积

颗粒密度的计算公式为：

                    (6.4)

在模拟过程中，根据固体物质密度重新计算固体组分的体积，但颗粒中挥发性组分的体积保持不变，即使初始挥发性流体全部释放。假设挥发性物质在颗粒内占据一定的体积或空隙空间，并且在挥发性物质释放过程中，这个体积保持不变。

  (6.5)

在颗粒初始化过程中，如果颗粒中的所有物质都有一个定义的密度，那么直接计算颗粒的整体密度。在颗粒中包含密度未定义的挥发物成分的情况下，则需要指定总颗粒密度。基于这个总颗粒密度，Barracuda计算挥发物体积。

由于对颗粒中挥发物的体积进行了这种特殊处理，颗粒大小或密度的变化取决于质量的变化是由于化学反应还是由于挥发物的释放。当一个颗粒由于化学作用而获得或失去固体质量时，其体积和颗粒大小也相应增加或减少。然而，当一个颗粒释放出挥发性物质时，它的质量会减少，但挥发性成分的体积会保留在颗粒中。因此，颗粒的大小保持不变。

6.1。鼓泡
    

不可压缩流动

气泡只在不可压缩流的模拟中可用。    

在流体类型被设置为不可压缩的模拟中，包含气泡的选项将可用。气泡是类似于Barracuda中的颗粒的拉格朗日实体，但在以下方面有所不同：

§
气泡由气体和/或蒸汽物质组成

§
气泡是可压缩的，并且会根据容器内的压力变化大小

§
气泡总是被假定为球度为1

§
气泡中的气体和蒸汽物质可以通过吸收或蒸发与周围的液域达到平衡

§
气泡不参与辐射传热

§
气泡中的气体和蒸汽物质不能参与体积平均化学

§
气泡不能参与离散颗粒化学反应

拉格朗日实体气泡不应与“流化床气泡”相混淆，后者是相对较大的低颗粒体积分数区域。在Barracuda中，气泡表示液体域中的颗粒状气体/蒸汽拉格朗日实体。

6.2。颗粒的相互作用
    

在图6.1所示的颗粒窗口中，指定了适用于模型中所有颗粒种的颗粒相互作用参数。下面描述了每个颗粒相互作用场的详细信息。    

图6.1颗粒窗口显示了紧密堆积体积分数和颗粒与壁面相互作用的典型值

接触和碰撞模型

在CPFD方法中，颗粒相互作用通过使用计算效率高的颗粒应力函数来建模。应力函数τ是颗粒体积分数θp的函数，基于[Sni01]。在Barracuda中实现的应力函数为：

           (6.6)

其中:

Ps是压强单位的常数    

θcp为颗粒在紧密排列时的体积分数

β是一个常数，推荐值在2到5之间

ε是一个非常小的数

应力模型常数的值，包括紧包体积分数，在Particles窗口和应力模型对话框中指定，如图6.2所示。

具有模型常数推荐值的颗粒应力模型将对稀相中的颗粒行为产生可忽略不计的影响。当一个区域的颗粒体积分数开始接近于紧密时，应力模型将开始影响该区域内或向该区域运动的颗粒。理想情况下，应力模型应防止颗粒进入颗粒体积分数接近的区域。在这种情况下，向紧压区域移动的颗粒将被重定向。颗粒重定向的性质由下面讨论的动量重定向模型指定。

紧密堆积体积分数紧密体积分数指定颗粒随机堆积时的最大体积分数。在实践中，紧密堆积体积分数，θcp，通常是从要建模的颗粒的体积密度和颗粒密度来估计的。

关于体积密度和颗粒密度的附加信息在本章开始处提供。紧密堆积体积分数的典型值范围为0.56至0.64。

动量重定向模型靠近紧包区域的颗粒将根据颗粒应力张量、颗粒入射角、在“Maximum momentum redirection from collision”框中输入的最大重定向值以及从下拉框中选择的模型进行重定向。选项有：

§
随机散射-默认选项，其中颗粒将随机反弹

§
定向颗粒将沿着颗粒应力减小的方向运动    

碰撞A的最大动量重定向值为是默认值。

Blended acceleration model for the contact force在密集、多分散的颗粒床中，不同大小和密度的颗粒之间的相对运动受到持续的颗粒接触的抑制，混合加速度模型（BAM）模拟了这种效应。该模型旨在改善不同尺寸或密度的多分散颗粒的流态化预测行为。没有BAM，流态化倾向于表现出比实际发生的更高程度的颗粒偏析。

使用该模型，单个颗粒加速度是原始MP-PIC方法的颗粒加速度（适用于稀颗粒流）和平均颗粒加速度（适用于紧密堆积的颗粒流）之间的混合。结果，处于或接近密排的颗粒倾向于以接近平均速度的速度一起运动，这是由于持久的颗粒-颗粒接触。在稀释区，由于与周围颗粒接触较少，颗粒倾向于彼此独立运动。[ORourkeS14]详细讨论了该模型的发展过程。

Transfer liquid mass on collision该模型允许颗粒根据碰撞计算将液体传递给其他颗粒。所转移的液体物质将固体颗粒包裹成薄膜，或将液体质量添加到纯液体颗粒中。[ZORourkeS09]详细讨论了该模型的控制方程。

应力模型选项单击颗粒窗口中的应力模型选项按钮，将弹出应力模型选项对话框，如图6.2所示。颗粒应力模型（6.6）的参数可以在这个对话框中修改。应力模型的默认值为Ps=（以帕斯卡为单位），B==。

图6.2具有默认值的应力模型对话框

壁面相互作用

关于颗粒在墙上反弹的物理特性，用户可以控制三个变量。这三个都可以在BarracudaGUI的颗粒窗口中找到，在颗粒与壁的相互作用下。下面分别对它们进行了解释，更多的讨论可以在CPFD的知识库中找到：设置颗粒与壁的相互作用参数。

法向壁动量保持量这是颗粒动量的法向分量的分数，颗粒在与壁面碰撞后保留的动量。值为表示完全弹性碰撞，即颗粒在与壁面正法线碰撞时，将以与碰撞前相同的速度反弹。值为表示所有的速度都消失了。的值表示50%的动量（由于质量不变的速度）被保留，但应该注意的是，这与颗粒在重力作用下从壁上反弹的距离不同。保持50%的速度意味着颗粒只保留了25%的动能，因为动能随速度的平方而变化。对于“软”颗粒，正常到壁面的动量保持的典型值是，而对于“硬”颗粒，可以使用或更高的值。这些值将作为初始建议，并应由用户根据实验数据的可用性进行调整。

切向壁面动量保持量这是颗粒动量的切向分量中颗粒与壁面碰撞后保留的部分。切向壁面动量保持的典型值为。此值作为初始推荐值，应由用户根据实验数据的可用性进行调整。    

图6.3动量保持模型

图6.3所示的图表有助于理解法向壁和切向壁动量保持参数的数学实现。在壁面撞击之后的颗粒速度，用法向和切向动量损失以及撞击角度来描述为：

其中:

|uⁿ⁺¹|是新的颗粒速度

|uⁿ|是旧的颗粒速度

对于正常的壁面撞击，动量保持因子为rN，对于浅（切向）壁面撞击，动量保持因子为rT。通常情况下，当颗粒以浅角度（θ> 85度）撞击壁面时，颗粒“跳过”，动量损失很小。动量保持的正常分量通常比正切动量保持更小（动量损失更大）。

漫反射漫反射指数对颗粒与墙壁碰撞后的散射函数。值为表示计算颗粒与壁面碰撞后的新速度矢量（使用法向和切向动量保持系数），没有散射。因此，如果任何颗粒以相同的速度矢量撞击墙壁，那么它们在弹跳后将具有相同的速度矢量。然而，颗粒通常不是完美的圆形，并且壁通常不是完美的光滑。因此，在现实中，人们会期望单个颗粒在反弹后与预期向量有一些偏差。漫射弹跳设置导致了这种偏离平均值的情况。数值越高，应用的散射越多，指定的指标值是散射量的线性乘数。虽然默认值为（无散射）以最小化计算成本，但对于常见的工业表面，更高的值通常是合适的。    

图6.4漫射弹跳模型

使用随机漫射弹跳模型，镜面弹跳的变化由伪壁面粗糙度系数指定，其范围从（完全光滑）到（最大粗糙度）。对于法向撞击壁面，角度变化最大。无论粗糙系数如何，以浅角度撞击墙壁的颗粒都具有近镜面反射。下表显示了角度变化的范围作为漫反射值的函数。

图6.5随漫反射弹跳值变化的角度变化范围
    

这些值是基于法向对壁的冲击。更浅的撞击角度会有更小的范围。在这个计算中，颗粒速度的总体大小没有改变。只有颗粒反射的方向受到扩散-弹跳模型的影响。

云的选择

当此功能关闭时，实际颗粒与计算颗粒的比率将是一个整数值。通过打开这个特性，计算颗粒可以代表真实颗粒的一小部分。

图6.6Barracuda表示颗粒的不同方式

图6.6显示了虚拟反应堆使用云表示颗粒的可能方法。最常见的情况如图6.6(a)所示：典型模拟中的每个云将代表许多颗粒。如图6.6在大型工业流体-颗粒系统中，物理颗粒数通常在1e+15或更高的数量级上。典型的模拟使用1e+06到1e+07量级的云来模拟颗粒，因此每个云代表非常大量的颗粒。在某些情况下，以1对1的方式对颗粒进行建模是可取的，(b)所示。如果某些颗粒种类具有相对较低的真实颗粒计数和/或较大的颗粒尺寸，则这可能是有用的。图6.6然而，如果颗粒在物理上太大而无法装入模型的计算单元，那么1对1的方法将不起作用，因为单个颗粒将超过紧密堆积体积分数的限制。(c)说明了允许云表示分数颗粒选项所启用的功能。通过使用该选项，每个云只占真实颗粒质量和体积的一小部分（用橙色的“饼状切片”表示），但为了进行阻力计算，仍然在数字上表示完整颗粒的大小（用虚线表示）。值得注意的是，此选项不模拟“破碎”颗粒，例如可能通过颗粒摩擦产生的颗粒。相反，为了进行阻力计算，每个云都被视为具有完整的颗粒大小，这允许用户对太大而无法在计算单元中容纳的颗粒的运动进行建模。    

不可压缩流动

在流动类型设置为不可压缩的模拟中，此选项将以与颗粒相同的方式应用于气泡。

密相流体力

本节包含与颗粒运动时颗粒与流体之间基于动量的相互作用有关的选项。

不可压缩流动

在流动类型被设置为不可压缩的模拟中，这些选项在默认情况下是打开的。它们将在具有气泡的液体域的模拟中产生最大的影响，并且在具有固体颗粒的气域的模拟中可以忽略不计，因为流体介质的密度与颗粒密度相比相对较低。

启用虚拟质量力当此选项打开时，由于虚拟质量（也称为附加质量）而施加到颗粒上的力将在计算中考虑。虚拟质量力是施加在颗粒上的力，因为它在加速通过流体介质时必须置换流体介质。这就产生了一个类似于阻力的力。虚质量力的计算公式为：

其中:

FVM为虚质量力    

CVM是虚拟质量的系数（球体设置为默认值0.5）

θf为流体体积分数

ρf为流体密度

Vp,b是颗粒或泡的体积

Dup,b/bDt是颗粒或气泡速度的实质导数

Duf/Dt是流体速度的实质导数

启用升力当开启此选项时，计算中将考虑作用在颗粒上的升力。给定流场中的涡度（或切变），颗粒就会受到升力1的作用，从而使颗粒相对于流动方向产生横向运动。升力的计算公式为：

其中:

FL为升力

CL为升力系数（球体设置为默认值0.5）

θf为流体体积分数

ρf为流体密度

Vp,b是颗粒或泡的体积

Up,b是颗粒或气泡的速度

Uf是流体速度

∇×uf是流体速度的旋度

升力在流体速度梯度大、相对速度大（u_p,b−u_f）的系统中是显著的。

气泡的聚结和破裂

不可压缩流动    

在流体类型已设置为不可压缩的模拟中，此选项可用。

当选择此模型时，气泡可能在整个模拟过程中通过合并或破裂的方式改变大小。气泡聚结是气泡碰撞并形成一个更大的气泡的过程。鼓泡破裂是一个鼓泡分裂成子鼓泡的过程。该模型基于Lehr等人[LMM02]的工作，该工作是为气泡柱的建模而开发的。在Barracuda中，这些模型基于如下所示的几个关键假设：

§
云中的所有气泡都会合并或分裂成一个云。

§
云的总质量和体积在聚并和破裂模型中不会改变。

§
气泡的大小和气泡的数量确实会改变。

§
气泡会破裂成两个大小相等的子气泡。

合并发生的概率被计算为气泡直径、气泡平均直径、气泡之间的相对速度、气泡体积分数和湍流耗散率的函数。

破裂发生的概率作为气泡直径、液体表面张力和密度以及湍流耗散率的函数来计算。

聚结因子对于蒸馏水，这设置为默认值1。如果在模拟中存在聚结抑制剂，则应将其更改为小于1的值。

最大气泡尺寸为了防止气泡的尺寸增加到无穷大，必须强制执行最大允许气泡尺寸。

6.3。曳力模型
    

颗粒周围的流体流动作用在颗粒上的力是由颗粒的阻力模型决定的。在Barracuda中定义的每个颗粒种类都有一个分配给它的曳力模型，该模型可以从Barracuda中可用的预定义模型或用户创建的模型中选择。曳力模型窗口，如图6.7所示，为创建和管理项目中的曳力模型提供了一个接口。“曳力模型”窗口中的模型可以应用于“颗粒种类”对话框中的颗粒种类，如指定颗粒种类所述。

图6.7显示预定义曳力模型的曳力模型窗口

管理曳力模型

“曳力模型”窗口列出了所有预定义和用户定义的曳力模型。列表中的每一行都表示名称、来源和描述。所有项目都会显示预定义的曳力模型。曳力模型管理器遵循添加、编辑、复 制、删除GUI模式，只有少数例外。“编辑”和“删除”只有在用户定义模型被选中时才可用。当选择预定义模型时，可以使用View选项。这将显示用户手册中所选曳力模型的相关信息。    

显示遗留的曳力模型如果选择此选项，将显示遗留的曳力模型以向后兼容。如果在以前版本的Barracuda中创建的项目文件使用了遗留的拖放模型，那么即使没有选择这个选项，它也会显示在拖放模型管理器中。除了Stokes和Constant无法复 制外，遗留曳力模型的使用方式与所有其他曳力模型相同。

6.3.1。创建曳力模型
    

用户定义的曳力模型是在图6.8所示的“曳力模型编辑器”对话框中指定的，当从“曳力模型”窗口添加或编辑曳力模型时，将显示该对话框。此对话框遵循用户定义表达式的GUI模式解析器。    

图6.8“曳力模型编辑器”对话框显示用户定义的曳力模型

无量纲曳力功能

指定的曳力函数fcustom()是由Stokes曳力定律规范化的无量纲曳力函数。使用无量纲阻力模型无需考虑单位并简化了阻力模型，因为大多数阻力模型仅依赖于颗粒雷诺数和流体或颗粒体积分数的无量纲形式。在曳力模型参考中，给出了转换为无因次曳力的示例。

变量
    

颗粒阻力模型通常是颗粒属性和颗粒周围环境属性的函数。对于许多阻力模型，这些特性仅限于颗粒雷诺数、流体体积分数和颗粒体积分数。更复杂的模型还可能考虑颗粒球形度，或颗粒直径与周围平均直径（diameter）之比。从列表中选择的变量将被添加到“曳力模型定义”框中的光标处。或者，也可以将变量直接输入到曳力模型定义中。下面是可用变量的完整列表。

计算单元中颗粒的Sauter平均直径计算为：

常量

不需要使用常量，因为可以直接在曳力模型表达式中输入值。然而，定义常量是有好处的。除了经常使曳力模型函数更具可读性外，定义的常数值还可以针对单个颗粒种类进行更改，从而使曳力模型更具适应性。这在Particle Species中有进一步的讨论。

6.3.2。检查曳力模型
    

可以检查曳力模型表达式，以确保字符串可以求值（没有格式错误），并且字符串的求值产生预期的结果。

验证曳力模型表达式当曳力模型在解析器对话框中定义时，Barracuda将检查类型表达式并突出显示任何问题，包括括号不匹配，无法识别的变量或函数名称，或函数中不正确的数字或参数。消息框将列出使用用户定义表达式发现的任何问题。

验证曳力模型评估当模型运行时，将在项目目录中创建一个drag.log。在此文件中，仿真中的每个曳力模型将在各种条件下进行评估。这些值可以用来验证输入的表达式。如下所示为drag.log的样例内容。

# Non-dimensional drag coefficients, Cd = D/D(Stokes), at some sample points for drag models

#

# The following constant quantities are used.

# pvf(CP) = 5.300000e-01   Close pack volume fraction

# rhoF    = 1.454508e+00   Fluid density (kg/m^3)

# visc    = 1.348299e-05   Fluid viscosity (kg/(s*m))

# dVel    = 1.000000e+00   Magnitude of relative particle-to-fluid velocity (m/s)

#

#  1  Re            Reynolds number based on particle diameter

#  2  pvf/pvf(CP)   Ratio of particle volume fraction to close pack volume fraction

#  3  fvf           Fluid volume fraction

#  4  Cdp1          Predefined drag model - Wen-Yu

#  5  Cdp2          Predefined drag model - Ergun

#  6  Cdp3          Predefined drag model - WenYu-Ergun

#  7  Cdp4          Predefined drag model - Turton-Levenspiel

#  8  Cdp5          Predefined drag model - Richardson-Davidson-Harrison

#  9  Cdp6          Predefined drag model - Haider-Levenspiel

# 10  Cdp7          Predefined drag model - EMMS1

# 11  Cdp8          Predefined drag model - Nonspherical-Ganser

# 12  Cdp9          Predefined drag model - Nonspherical-Haider-Levenspiel

# 13  Cd1           User defined drag model - Beetstra et al. 2007 Model

#

# Species 1

# Additional parameters are used for this species

# diam        = 2.000000e-04   Particle average diameter (m)

# diamSauter  = 2.000000e-04   Particle Sauter mean diameter (m) = diam

# sphericity  = 1.000000e+00   Particle sphericity

# density     = 1.570000e+03   Particle density (kg/m^3)

#

# Calculated D(Stokes) = 1.063980e+01 (1/s)

#

#   Re   pvf/pvf(CP)   fvf       Cdp1        ...         Cd1

# - - -  - - - - - -  - - -  - - - - - -     ...     - - - - - -

  1e-50        0         1   1.000000e+00    ...     1.000000e+00

  1e-50     0.01    0.9947   1.014182e+00    ...     1.144941e+00

  1e-50      0.1     0.947   1.155241e+00    ...     1.702218e+00

    .         .        .           .          .           .

    .         .        .           .          .           .

    .         .        .           .          .           .

  2000      0.9     0.523   2.042876e+02     ...     1.275539e+02

  2000     0.99    0.4753   2.632126e+02     ...     1.369037e+02

  2000        1      0.47   2.711516e+02     ...     1.380281e+02

6.3.3。曳力模型参考
    

如图6.9所示，Barracuda用户可以从曳力模型部分的“模型名称”下拉菜单中列出的各种曳力模型中进行选择。    

图6.9曳力模型选择对话框

以下预定义的曳力模型可用于Barracuda：

§
Tang

§
Radl-Sundaresan

§
Tenneti

§
Tomiyama-Roghair

§
Beetstra

§
EMMS-Yang-2004

§
Non-spherical Ganser

§
Non-spherical Haider-Levenspiel

§
Syamlal-O’Brien

§
Gidaspow

§
WenYu-Ergun

§
Wen-Yu

§
Ergun

§
Legacy

在Barracuda中，所有的曳力模型都被定义为相对于 Stokes曳力的函数，这样：    

                 (6.7)

其中:

F_d为阻力模型计算的阻力

F_(φ,Re)是阻力模型的函数，用作斯托克斯阻力的乘数

F_Stokes是斯托克斯阻力

在阻力模型函数F（ϕ，Re）中，变量ϕ φ用于表示颗粒和气泡的组合体积分数。这使得所有的阻力模型都可以用于可压缩或不可压缩的模拟。

    (6.8)

其中:

θf为流体体积分数

θp是颗粒体积分数

θb为气泡体积分数

雷诺数Re是根据表面流体速度UU计算得出的：

                 (6.9)

其中:

ρf为流体密度

Rp是颗粒（或气泡）半径

μf为流体粘度

|U|为流体表面速度的大小

浅层流体速度的计算公式为：

                           (6.10)

其中:

Uf为流体速度矢量

Up是颗粒（或气泡）速度矢量

Tang阻力模型是基于Tang等人[TPK+15]的工作。阻力模型给出如下：

Radl-Sundaresan

Radl-Sundaresan阻力模型是基于Radl和Sundaresan [RS14]的工作。阻力模型是通过将一个因子乘以 Beetstra drag model的因子得到的。通过包含该因子，阻力模型将粗粒化效应视为网格大小、流体和颗粒特性的函数。阻力模型由下式给出：

这里，a(φ)和h(φ)是在[RS14]中给出的分段连续代数表达式。

        (6.21)

其中:    

Vt为蠕变流的终端速度

g是重力的大小

dp是颗粒（或气泡）直径

μf为流体粘度

Fr为弗劳德数

Lc为特征长度

V是网格/单元的体积

fs为过滤器大小

fs/Lc为无量纲滤波器尺寸

f是乘法因子

F_BVK是由Beetstra阻力模型得到的阻力

Tenneti阻力模型是基于Tenneti等人[TGS11]的工作。阻力模型给出如下：

注意，F(φ,Re)包含一个额外的空隙项，（1−φ），因为Tenneti阻力公式包含由于系统平均压力梯度产生的浮力。

Tomiyama-Roghair

不可压缩流动    

在流体类型设置为不可压缩的模拟中，此曳力模型将可用。

富山-Roghair阻力模型基于富山等人[TMFS95]和Roghair等人[RLD+11]的工作，仅推荐用于具有气泡种的Barracuda。该模型采用富山（Tomiyama）开发的基线模型，并通过Roghair开发的系数对其进行修改，以调整气泡群模型，从而计算系统中气泡的阻力。富山部分由：

          (6.26)

其中:

Eo是Eotvos数

g是引力

dp为颗粒直径

σ为表面张力

     (6.27)

Roghair部分为：

       (6.28)

Roghair等[RLD+11]的FR建议Eo≥1。因此，我们将FR的分母中的Eo限制为最小值1。

整体Tomiyama-Roghair曳力函数为：

              (6.29)

Beetstra曳力模型是基于Beetstra等人的研究[BvdHK07]。曳力模型给出如下：    

EMMS-Yang-2004

barracuda中的EMMS-Yang-2004阻力模型基于[YWG+04]和[LK94]。EMMS-Yang-2004模型常数是基于Li和Kwauk实验得出的。

§
大气条件下的空气

§
54微米大小的单一颗粒

§
颗粒密度930kg/m3

§
流体表面流速1.52 m/s

§
固体通量14.3 kg/m2-s

Non-spherical Ganser

barracuda中的非球形Ganser模型采用Ganser的单颗粒非球形阻力模型[CAS99]，依赖于流体体积分数[WY66]。    

    (6.38)

其中:

ψ是颗粒的球度

Non-spherical Haider-Levenspiel

Barracuda中的非球面Haider-Levenspiel模型采用Haider和Levenspiel [CAS99]的单颗粒非球形阻力模型，依赖于[WY66]的流体体积分数。

Syamlal-O'brien

Syamlal-O'Brien阻力模型基于[SOBrien88]。阻力模型给出如下：

其中:    

Rei是基于间隙流速度的雷诺数（见式6.58）。

Gidaspow

Gidaspow阻力模型[Gid86]使用Wen and Yu相关关系[WY66]表示稀颗粒载荷，使用Ergun关系[Erg49]表示密相颗粒载荷。

    (6.53)

其中:

FWY为（6.56）中定义的Wen-Yu曳力函数

FE为式（6.57）中定义的Ergun曳力函数，c0=1.75,c1=150

WenYu-Ergun

由于Wen and Yu关系式[WY66]适用于更稀的体系，Ergun关系式[Erg49]适用于更高的堆积分数，因此Barracuda的WenYu-Ergun阻力模型混合了这两种模型，计算了整个颗粒体积分数范围内的阻力。请注意，与Gidaspow曳力模型[Gid86]相比，WenYu-Ergun曳力模型使用了不同的混合方法。曳力模型给出如下：

 (6.54)

其中:
    

Wen-Yu

Barracuda中的Wen-Yu模型[PPC93，WY66]是基于单颗粒阻力模型加上对流体体积分数θf的依赖来考虑颗粒堆积的。

Ergun

Ergun阻力模型是根据密相地层数据开发的，因此只适用于这些系统[BvdHK07]。

              (6.57)

其中:

C0=2为非线性系数

C1=180为线性系数

[Erg49]推荐的值为c0=1.75和c1=150，但许多不同的常数已经适合于不同的数据集。默认的Barracuda系数可以根据要建模的系统进行调整。

Legacy Drag Models

当启用“显示遗留曳力模型”选项时，以下遗留曳力模型可用于Barracuda：

§
Tomiyama-Roghair-Legacy    

§
EMMS-Yang-2004-Legacy

§
Nonspherical-Ganser-Legacy

§
Nonspherical-Haider-Levenspiel-Legacy

§
Haider-Levenspiel

§
Turton-Levenspiel

§
WenYu-Ergun-Legacy

§
Richardson, Davidson, and Harrison

§
WenYu-Legacy

§
Stokes

§
Constant Drag

一些遗留阻力模型，包括名称以“ -Legacy ”结尾的所有模型，在雷诺数计算中使用间隙流体速度，而不是（6.9）中使用的表面速度。用间隙流体速度计算的雷诺数用Rei表示，计算式为：

    (6.58)

Haider-Levenspiel

Barracuda中的Haider-Levenspiel阻力模型来自[HL89]。

     (6.59)

其中:
    

Turton和Levenspiel

Barracuda中的Turton和Levenspiel模型使用[TL86]的单颗粒阻力函数，依赖于[WY66]的流体体积分数。阻力模型由式给出：

Richardson，Davidson和Harrison

Barracuda中的Richardson、Davidson和Harrison模型使用了[DH71]的单颗粒阻力函数。

Stokes
    

所有的阻力模型都计算作用在颗粒（或气泡）上的力Fp，作为流体和颗粒性质以及流动条件的函数。力是颗粒质量mp、流体速度uf、颗粒速度up和阻力函数D的函数.

                        (6.63)

在许多阻力模型中，阻力函数D与阻力系数Cd的关系如下：

                       (6.64)

Stokes阻力模型是基于对爬行流动中作用在单个颗粒上的阻力的解析计算——通常是Re<0.1 [wh91]。Stokes阻力为：

             (6.65)

等于（6.63）和式（6.64），当：

                     (6.66)

或者，Stokes曳力的曳力函数D可以直接表示为：

                     (6.67)

常数拖

恒定阻力模型使用式（6.63）计算作用在颗粒上的力。曳力函数D由在“曳力模型选择”对话框中输入的常数值指定。

6.4。挥发物
    

在图6.10的挥发物窗口中，用户可以定义用于从颗粒释放气体和/或蒸汽到流体相的挥发物种类。例如，如果煤颗粒是正在建模的系统的一部分，则可以定义挥发性物质，以解释捕获在新鲜煤颗粒中的挥发性物质以及随后从颗粒中释放出来的气体。这种“挥发物”种类的组成可以根据将被释放到流体相中的流体来指定。此外，用户可以根据arrhenius类型的温度依赖性来指定挥发物的释放速率。在挥发物管理器中，从现有的基础材料中创建挥发物。挥发物管理器遵循添加、编辑、复 制、删除GUI模式。在“指定挥发性材料”中讨论的“挥发性材料编辑器”对话框中输入挥发性物质的组成和属性。    

图6.10挥发物窗口显示样品挥发物种类

定义挥发物

在挥发物列表中，项目中当前的挥发物种类显示为单独的行。列表中的每一种挥发性物质都有一个与之相关联的唯一ID号，与挥发性物质的名称、密度和释放速率一起显示。

6.4.1。指定挥发性物质
    

在挥发性材料编辑器对话框中定义挥发性物质参数，如图6.11所示。当添加新的挥发性物质或编辑现有的挥发性物质时，此对话框将被激活。在“挥发性材料编辑器”对话框中，用户可以指定：    

图6.11“挥发性材料编辑器”对话框显示了挥发性物质种类定义的示例

Name每个新创建的挥发性物质都需要单独命名，必须与项目中使用的任何其他材料不同。

比热（Cp）比热是颗粒内部未释放的挥发性物质的热容量。挥发物质的焓贡献是根据这个恒定的热容和298.15K的指定脱挥发热来计算的。在颗粒温度下计算焓。

Heat of devolatilization at 298.15K可以指定Tref处的脱挥发焓，由脱挥发引起的总焓变计算为：

其中:

ΔHDV为作用于流体相的总脱挥发热，单位为J

Δmv是挥发性物质离开颗粒的质量，单位为kg

Hd(Tref)为用户指定的298.15K时的脱挥发热，单位为J/kg

Tref是298.15 K

Cp,v为挥发性物质的比热（Cp），由用户指定，单位为J/kg/K

Tp是颗粒的当前温度，单位为K

Δmi为进入流体相的流体种i的质量，单位为kg

Cp,i是基材材料中规定的流体种类i的比热，单位为J/kg/K

当挥发性物质脱挥发时，计算出的焓将被去除（如果是正值）或释放（如果是负值）。

Specify density在这里，用户可以选择指定颗粒中挥发物的密度。如果密度是经验已知的，在这里输入。如果不知道，则不指定。未指定的密度将被视为未定义。

Release fluids用户必须通过单击“释放流体”按钮指定在颗粒脱挥发时释放哪些流体（气体或蒸汽）。这遵循应用材料GUI模式。

Rate of release挥发物的释放速率k可以用系数c0、c1、c2、c3、E和E0来指定。释放速率表达式的形式为

                 (6.68)

其中:

T是以K为单位的温度

p为压强，单位为Pa    

ρf为流体密度，单位为kg/m3

E是K中的活化能

E0是附加的阿伦尼乌斯活化能项

注意，在计算挥发性物质释放速率时使用的温度，是流体和颗粒温度的加权混合。权重为80%的颗粒温度，20%的流体温度。释放速率的单位为秒。挥发分质量随释放速率的变化量为

                     (6.69)

其中:

Mvolatiles是颗粒中挥发种的当前质量

K为释放速率系数的值

6.5。颗粒的物种
    

在颗粒种类窗口（图6.12）中，定义了单一或多材料颗粒种类的组成。在这个窗口中，用户可以使用GUI中的按钮对颗粒物种进行添加、编辑、复 制、删除操作。

不可压缩流动

在流体类型被设置为不可压缩的模拟中，颗粒种类窗口将更改为颗粒和气泡种类。添加颗粒和添加气泡将出现单独的按钮。有关更多信息，请参阅“气泡”部分。

图6.12颗粒种类窗口显示一个样本颗粒种类

定义颗粒种类

在颗粒种类列表中，所有已定义的颗粒种类都显示为单独的线条。每个颗粒种都有一个唯一的ID号，与颗粒材料、颗粒大小和球形度一起显示。

6.5.1。指定颗粒种类
    

在颗粒物种编辑器对话框中定义一个新的颗粒物种，图6.13。这个对话框是通过点击颗粒物种管理器窗口中的添加按钮激活的。

不可压缩流动

在模拟中，流体类型被设置为不可压缩，气泡物种编辑器对话框是通过点击颗粒&气泡物种管理器窗口中的添加气泡按钮激活的。

图6.13颗粒物种编辑器

在定义新的颗粒种时，用户可以提供以下信息：

物种ID这是一个内部物种ID号，显示在颗粒物种列表上，在日志文件和后处理数据中引用。    

备注 颗粒物种的评论字段是可选的，但强烈建议使用该字段来命名颗粒物种。注释字段的内容与物种ID一起用于标识颗粒IC（指定颗粒IC）、颗粒注入（注入bc）和颗粒馈送（边界条件）的颗粒种类选择。

材料用户可以点击应用材料按钮来指定将在颗粒中使用的材料。详细信息请参见定义颗粒组成。

在这里，用户可以使用SFF文件定义PSD。有关详细信息，请参见指定粒度分布。或者，用户可以从下拉菜单导入预定义的PSD。

尺寸范围用户可以为颗粒指定一个固定的最小和最大尺寸。有关指定颗粒尺寸的更多信息，请参见颗粒和气泡尺寸单位。

紧密堆积体积分数用户可以为每个颗粒种类指定一个紧密堆积体积分数。使用全局值将使用在接触和碰撞模型中指定的值。指定值可用于指定颗粒种类的唯一紧密堆积体积分数。当指定了多个封闭包体积分数时，每个细胞的封闭包体积分数计算为：

其中:

θCP,cell为细胞紧密堆积体积分数

Vp,i为细胞内i种的体积

θCP,i为规定种i的紧密堆积体积分数

球形度颗粒的球度定义为与颗粒体积相同的球体的表面积与颗粒表面积之比。球形度的典型值为。

尽快ψ==π1/3(6)副总裁2/3AP(0 <ψ≤1)尽快ψ= =π1/3(6)副总裁    

其中:

ψ是球形度

A_S是与颗粒体积相同的球体的表面积

A_P是颗粒的表面积

V_P是颗粒的体积

颗粒种的球度在以下情况下使用：

§
当为该颗粒选择非球形阻力模型时

§
当颗粒表面积计算流体到颗粒的传热时

§
当计算颗粒表面积时，化学速率系数与颗粒表面积相关

发射率颗粒的发射率定义为在相同温度下其表面发射的辐射与黑体发射的辐射之比。发射率的默认值是，但是这个参数可以根据被建模的颗粒的类型而有很大的变化，所以当辐射传热很重要时，输入一个真实的值是很重要的。

散射系数颗粒的散射系数，它是辐射在遇到颗粒时改变方向的程度的度量。默认值为，这意味着颗粒不会引起辐射方向的任何变化。

团聚Barracuda可以通过调节颗粒所感受到的阻力来模拟小颗粒团聚的效果。有关应用和定义颗粒种类的团聚模型的信息，请参见团聚模型。

阻力模型用户可以选择要在仿真中使用的曳力模型。有关Barracuda使用的不同曳力模型的详细信息，请参阅曳力模型。对于每个颗粒种，与所选曳力模型相关联的常数可以：使用Link to Default，这样使用曳力模型定义中指定的默认常数值；或者清除“链接”复选框，并为当前颗粒种类更改相应的常数值。阻力模型乘数可以用来调整计算的阻力系数。    

6.5.2。定义颗粒组成
    

定义颗粒组成遵循应用材料GUI模式，并添加了用于定义材料年龄因素和整体颗粒密度的功能。

图6.14“应用材料”对话框显示添加到颗粒种类中的样品材料

不可压缩流动

在流体类型被设置为不可压缩的模拟中，当定义气泡成分时，只有气相和气相材料将被列为可用成分。

已停留时间因子

模型可能需要输入或初始化已经在某种程度上经历了化学反应的颗粒。在这种情况下，初始化或输入Barracuda模拟域的颗粒组成将不同于用于计算反应转化的“新鲜”颗粒组成。当固体依赖项用于化学反应速率系数时，已停留时间因子将颗粒组分的进料质量与颗粒组分的初始质量联系起来：

其中:

m0是在反应化学计算中，当颗粒被认为是新的或“新鲜的”时，所选材料的初始质量    

m为所选材料进入Barracuda仿真域时的质量

可以指定的最小年龄因子为。这将表明Barracuda中的初始化状态（饲料组合）等于实际的新鲜状态（初始组合）。年龄因子大于1表示颗粒以“较旧”的成分被送入Barracuda。

颗粒密度

在大多数情况下，颗粒密度将根据添加到颗粒中的固体和挥发性材料的密度自动计算。在这些情况下，颗粒密度会显示在颗粒组成编辑器对话框的底部。例外情况是，当密度未定义的挥发性材料被应用于颗粒时。在这种情况下，需要手动输入颗粒密度，单位为kg/m3。

求解器根据材料组成自动计算初始颗粒密度ρp时，使用如下公式：

其中:

Xi为材料i的质量分数

ρi为物质i的密度

N为颗粒中物质的总数

6.5.3。指定粒度分布
    

Barracuda允许用户使用正态分布指定粒度分布，或者使用SFF文件指定完整的累积粒度分布。

正态粒度分布
    

在“颗粒种类”对话框中通过输入“粒径范围”的值来指定正态分布。在Barracuda中，最小和最大尺寸是平均值的两个标准差。粒径分布示例如图6.15所示。这是在未知情况下精确粒度分布时指定粒度的一种简单方法。

图6.15200 ~ 600微米直径颗粒的正常粒径分布

粒径分布

当有更详细的粒径信息时，最好在Barracuda中将全粒径分布指定为SFF文件。SFF文件由一列分布信息和一列相应的粒度组成。

分布数据分布可以指定为累积分布（默认）或频率分布。当指定累积分布时，每行表示小于或等于该行指定尺寸的颗粒的重量百分比。当指定累积分布时，第一行的累积值必须为，最后一行的累积值必须为。当指定频率分布时，每行表示具有该行指定的粒度的分布的百分比，其总和必须等于100。    

创建和编辑PSD的SFF文件

要创建描述特定粒度分布的新SFF文件，用户必须单击图6.13中的颗粒种类对话框中的编辑按钮，将弹出PSD编辑器，如图6.16所示。粒度分布编辑器遵循使用SFF文件GUI模式的表格输入。

图6.16粒度分布编辑器显示样品粒度分布

6.5.4。曳力模型乘数器
    

曳力模型乘数作为一个乘数应用于所选的曳力模型，以给出最终的曳力。它可以是一个常量，也可以是数据表中的内插值。每个颗粒种都可以有自己的阻力倍增器。

常数

默认情况下，指定的值为，这将导致不修改所选的曳力模型。如果指定了其他值，则将所选曳力模型计算出的曳力力乘以该值。

预定义的
    

有一系列预定义的乘数表可供选择，每个乘数表都基于EMMS原理，由中国科学院的EMMS软件生成。这些表包含阻力倍增器的数据，是两个自变量——流体体积分数和颗粒流体滑移速度的函数。在模拟过程中，Barracuda通过插值从局部流体体积分数和颗粒-流体滑移速度计算阻力倍增器。表格中的乘数基于EMMS模型[LGW+13]，是EMMS方法预测的阻力除以Wen-Yu阻力模型预测的阻力的比率。该比率是在给定以下输入参数的情况下，通过EMMS方法计算得出的：

§
流体密度（kg/m3）

§
流体粘度（Pa⋅s）

§
颗粒密度（kg/m3）

§
颗粒直径（um）

§
球形颗粒

§
流体表面速度（m/s）

§
固体质量通量[kg/(m2⋅s)]

§
床径（m）

§
床层高度（m）

§
最小流化空隙

颗粒球度、床径和床层高度的值通常不像其他参数那么重要。床层尺寸用于约束模型中的聚类直径。

阻力比通常被称为非均质性指数（Hd），它作为局部流体体积分数和颗粒滑移速度的函数制成表格，    

其中:

θf为流体体积分数

Uslip=|Uf−Up|为滑移速度

Cd是实际阻力系数

CdWY为标准Wen-Yu阻力相关

数据表包含hd作为θf和Uslip的函数，并且当前为Tecplot数据格式。在表的生成过程中，假设物理和颗粒参数不变。hd一般在0~1之间，1表示完全均匀流化。

选择滑移速度范围，对应于0 ~ 100的表面雷诺数范围。流体体积分数的界限一般在0.4 ~ 1.0之间。在模拟中，阻力比是从表格数据中插值出来的。如果条件（滑移速度和流体体积分数）在范围之外，则使用终值。表中的值不在这些范围之外进行外推。

异质性指数的表格包含在以下一般情况下：

§
鼓泡流化床

§
循环流化床

§
循环流化床锅炉

§
循环流化床立管，A组

§
循环流化床立管，B组

§
循环流化床立管，D组

§
快速流化床
    

§
立管

§
紊流流化床

阿基米德数，Ar，也会针对上述每种情况进行计算。

其中

g是引力常数

dp是颗粒直径

ρp为颗粒密度

ρf为流体密度

μf为流体粘度

阿基米德数表示外部（重力和浮力）力与内部粘性力之间的比率，表示流体-颗粒系统的物理性质。流体表面速度和固体质量通量定义了操作条件。对于给定的模拟，可以计算出阿基米德数。对于粒度分布，可以使用索特平均直径作为颗粒直径。如果所有的异质性索引表都不符合所要考虑的条件，则可以使用最接近阿基米德数的表。

每个预定义乘数的部分显示了每个表生成的条件，以及由EMMS软件计算的二维乘数曲面的绘图。建议选择与其仿真条件相似的条件表。由于这些乘数表是根据标准Wen-Yu曳力模型生成的，因此这些表应该与Wen-Yu模型一起使用。

鼓泡流化床

图6.17鼓泡流化床

循环流化床

图6.18循环流化床

循环流化床锅炉

图6.19循环流化床锅炉

A组循环流化床提升管

图6.20A组循环流化床提升管

B组循环流化床提升管

图6.21B组循环流化床提升管

循环流化床立管，D组

图6.22D组循环流化床提升管

快速流化床

图6.23快速流化床

立管

图6.24立管

湍流流化床

图6.25湍流流化床

从文件

用户可以为乘数提供自己的表格，并将其应用于任何曳力模型。乘数必须是恰好两个自变量的函数，表文件必须是Tecplot数据格式，这是EMMS软件的输出格式。其中一个自变量必须是流体体积分数，第二个自变量可能是滑移速度、雷诺数，或者颗粒的X、Y、Z位置。如果乘数仅是一个自变量的函数，则可以将另一个自变量作为常数包含在表中。下面是一段正确格式的文件摘录：

VARIABLES =“eg”，“Uslip”，“Hete”

区域i =1000, j =200

0.4001 0.001 0.0118931

0.4001 0.00105138 0.0118931

0.4001 0.00110539 0.0118931

0.4001 0.00116218 0.0118931

0.4001 0.00122189 0.0118931

(... many more lines ...)

0.9994 17.4931 2.08863

0.9994 18.3918 2.09417

0.9994 19.3367 2.0996

0.9994 20.3302 2.10493

0.9994 21.3747 2.11015

第一列数据是流体体积分数。第二列数据默认为流体-颗粒滑移速度，但可以将其更改为表示雷诺数（“Uslip”替换为“Re”）或相对于X、Y或Z的位置（“Uslip”分别替换为“Xp”、“Yp”或“Zp”）。第三列是阻力倍增器。

在创建乘数表时，要求和的值正确地表示数据的维度，其中是“eg”的唯一值的个数，是“Uslip”、“Xp”、“Yp”、“Zp”或“Re”的唯一值的个数。数据的总行数是和的乘积，文件中的数据列必须用制表符分隔，不能用空格分隔。

6.5.5。团聚模型
    

小颗粒（<50 μm）的气动阻力没有很好的定义，但数据表明，小颗粒通常会聚集在一起，表现为更大的颗粒。在Barracuda中，一个解释这种聚类行为的可选集聚模型可以应用于任何阻力模型。用户既可以选择默认的聚集模型曲线，也可以在聚集对话框中指定自定义模型，如图6.26所示。在所有的团聚模型中，物理粒径和有效粒径之间都建立了一种关系，这种关系用于阻力计算。    

图6.26团聚模型对话框

默认集聚模型

默认集聚模型是从测量“切割等级”的一小组气旋数据中开发出来的。切割品位是固体的数量，作为粒度的函数，它离开了旋风器的顶部。默认团聚模型中使用的有效粒径与物理粒径的关系如图6.27所示。如果对话框中没有指定有效粒径文件名，则使用默认模型。在这种情况下，建议使用默认的直径为微米的Size Cut Point。

默认的团聚曲线方程为：

其中:

reff是用于阻力计算的有效半径，单位为m

r是物理颗粒或气泡半径，单位为m

rc为尺寸切割点半径，单位为m
    

图6.27默认集聚模型

用户自定义集聚模型

用户定义的团聚模型可以通过指定粒径切割点和团聚模型SFF文件来创建，该文件仅对粒径小于尺寸切割点的颗粒有效。团聚模型SFF文件包含粒度和有效粒度的列。对于行条目中值之间的粒度，这些值被线性插值。通常，在切点处，作为表中的最后一个条目，给予粒度和有效粒度相等的值。

尺寸切割点颗粒尺寸切割点遵循颗粒&气泡尺寸单位GUI模式。

要为团聚模型创建新的SFF文件，单击团聚对话框中的编辑按钮，将弹出有效粒径编辑器，如图6.28所示。有效粒径编辑器遵循使用SFF文件GUI模式的表格输入。    

图6.28团聚模型编辑器