欧拉：流化床中的气泡形成
本教程演示如何在 STAR-CCM 中对流化床中的气泡形成建模。它模拟将气体注入到流化床，并监视气泡的形成和长大。
当流体通过固体颗粒物质，从而导致混合物像流体一样流动时，便形成了流化床。气泡在床层中的形成和传播会影响其热量和质量传递特性。
气泡的形状及其数量增长已被报告。注气孔宽 15 mm。孔口处的表面气速为 10 m/s。入口其余部分的表面气速为 0.25 m/s，即让床层流化的最小气速。几何如下所示。
导入网格，命名模拟
l获得本文所用模型（体网格导入）：请下载附件
l将模拟另存为BubbleFormation.sim。
设置物理模型
要求解的主要现象是颗粒欧拉相与流体欧拉相的相互作用。
l对于物理连续体连续体物理 1，按顺序选择下列模型：
l选择连续体 > 物理 1 > 模型 > 颗粒压力，然后将摩擦应力公式设置为 Schaeffer。
l选择颗粒压力 > Schaeffer 节点，然后将内摩擦角设置为 25。
使用二阶速度对流。
l选择连续体 > 物理 1 > 模型 > 多相分离流节点，然后将体积分数对流 特性设置为二阶。
l确保速度对流为二阶。
创建相并选择相模型
创建两个新相，将它们指定为空气和颗粒，然后为每一相设置适当的材料特性。
创建相并选择相模型：
创建气体相。
l在物理 1 连续体中，右键单击模型 > 欧拉多相流 > 欧拉相节点，然后创建一个新相。
l将相 1 节点重命名为 Air。
l对于 Air 相，选择下列模型：
创建颗粒相。
l创建第二相，将其重命名为 Particle。
l对于 Particle 相，选择下列模型：
指定气体相的材料特性。
l编辑欧拉相 > Air > 模型 > 气体 > 空气 > 材料特性节点，然后设置下列特性：
指定颗粒相的材料特性。
l编辑欧拉相 > Particle > 模型 > 颗粒 > Al > 材料特性节点，然后设置 下列特性：
设置最大固体分数。
l编辑欧拉相 > Particle > 模型 > 颗粒压力节点，然后将最大固体分数 设置为 0.65。
指定颗粒的复原系数参考值。
l编辑欧拉相 > Particle > 参考值 > 复原系数节点，然后将值设置为 0.9。
定义相间相互作用
l在物理 1 连续体中，右键单击模型 > 多相交互作用 > 相间相互作用节 点，然后创建一个新相间相互作用。
l对于相间相互作用 1，选择下列模型：
l编辑相间相互作用 1 > 模型节点，然后设置下列特性：
设置初始条件
最初，流化床包含 40.2% 的颗粒，0.5 m 深。在形成气泡之前，颗粒处于 静止状态，并且空气速度维持床层的流化。您可以使用场函数设置每一相 的初始体积分数以及空气的初始速度。
为每一相的初始体积分数以及空气的初始速度创建场函数。
l为初始颗粒体积分数定义场函数，如下所述：
a) 右键单击工具 > 场函数节点，然后选择新建 > 标量。
b) 将用户场函数 1 节点重命名为 InitialVFParticle。
c) 选择 InitialVFParticle 节点，设置下列特性：
l使用相同的步骤，利用下面提供的详细信息为初始空气体积分数和初 始空气速度创建场函数：
设置物理 1 连续体的初始条件。
l编辑连续体 > 物理 1 > 模型 > 欧拉多相流 > 欧拉相节点，然后设置下 列特性：
设置边界条件
表示床层的边界为非滑移壁面、速度进口和压力出口。
要设置边界条件：
检查 LHS 和 RHS 边界条件。
l编辑区域 > Fluidized_Bed > 边界 > LHS 节点，然后设置下列特性：
l同样，编辑区域 > Fluidized_Bed > 边界 > RHS 节点。
要对气泡形成进行建模，入口边界需要颗粒和气体体积分数的场函数。只 有气体通过入口进入，但是颗粒流体模型还需要估计颗粒的动能。
l创建以下标量场函数：
l编辑区域 > Fluidized_Bed > 边界 > Bottom > 相条件节点，然后设置 下列特性：
允许颗粒沿着壁面边界滑移。
编辑区域 > Fluidized_Bed > 边界节点，然后设置下列特性：
允许气体通过 Top 边界脱离。
编辑区域 > Fluidized_Bed > 边界 > Top 节点，然后设置下列特性：
设置求解器参数和停止条件
如果您要解决非稳态问题，必须指定时间步长和消耗的模拟时间。该计算 的最大物理时间为 0.2 秒，时间步长为 5.0E-4 秒。
l编辑求解器节点，然后设置下列属性：
l编辑停止条件节点，然后设置下列属性：
设置监视器
默认情况下，STAR-CCM 会生成一个残差绘图用于监视求解的收敛。一个好做法是创建更多的物理量监视器来帮助评估收敛。
气泡边定义为流化床中的空气浓度达到 85% 的地方。
监视气泡直径：
l右键单击衍生零部件节点，然后选择新建零部件 > 等值面。
创建等值面对话框将出现在编辑窗口中。
l在输入零部件框中，确保选择 Fluidized_Bed。
l将标量函数设置为体积分数 > 颗粒体积分数。
l将提取模式设置为单值。
l将等值设置为 0.15。
l在显示组合框中选择没有显示器。
删除流化床顶部的自由表面：
l右键单击衍生零部件节点，然后选择新建零部件 > 阈值。
l在输入零部件框中，选择 iso。
l将标量设置为 Centroid > 实验室 > Y。
l将提取模式设置为全部小于。
l将阈值设置为 0.4 m。
l在显示组合框中选择没有显示器。
l单击创建，然后单击关闭。
创建线积分场函数：
l右键单击工具 > 场函数，然后选择新建 > 标量。
l将用户场函数 1 节点重命名为 Unity。
l在特性窗口中，将函数名特性设置为 Unity。
l输入定义为 1。
沿气泡的圆周创建线积分报告：
l右键单击报告节点，然后选择新报告 > 线积分。
l将线积分 1 节点重命名为 Circumference。
l选择报告 > Circumference 节点，然后将场函数设置为 Unity。
l将零部件特性设置为衍生零部件 > 阈值。
您可以使用 Circumference 报告计算气泡直径：
l右键单击报告节点，然后选择新报告 > 表达式。
l将表达式 1 节点重命名为 Bubble Diameter。
l选择报告 > Bubble Diameter 节点并输入定义：
$CircumferenceReport /3.14
在每个时间步创建气泡直径监视器和绘图：
l右键单击 Bubble Diameter 并设置根据报告创建监视器和绘图。
l选择监视器 > Bubble Diameter 监视器节点，然后将触发特性设置为时间步。
创建标量场景
l右键单击场景节点，然后选择新建场景 > 标量。
l将标量场景 1 节点重命名为 Bubble Shape。
l单击对象树上方的场景/绘图按钮。
l选择显示器 > 标量 1 > 标量场节点，然后将函数属性设置为体积分数 > 颗粒体积分数。
l选择标量 1 节点，并将轮廓样式设置为光滑填充。
l要返回模拟对象树，请单击模拟按钮。
l单击初始化求解按钮。
运行模拟，当模拟完成运行时保存模拟。
可视化结果
标量视图
此案例有验证数据可用。导入此数据并使用它来验证对气泡直径的预测。将气泡直径与实验结果进行比较：
l右键单击工具 > 表，然后选择新表 > 文件表。
l在打开对话框中，打开事先提供的文件kuipers_expt.csv。
l单击打开。
l右键单击绘图 > 气泡直径监视器绘图 > 数据系列节点，然后选择添加数据。
l在将数据提供方添加至绘图对话框内，展开表格节点，然后选择kuipers_expt。
l选择 kuipers_expt 节点，然后将图例名设置为实验，X 列设置为时间，Y 列设置为直径。
l选择线样式节点，并确保样式属性设置为无。
l选择标记样式节点，然后执行下列操作：
a) 将 Size 特性更改为 12。
b) 将颜色属性更改为蓝色。
c) 将形状属性更改为填充三角形。
l选择绘图 > 气泡直径监视器绘图 > 轴 > X 轴节点，然后将最大值设置为 0.2。
l选择绘图 > Bubble Diameter 监视器绘图 > 轴 > X 轴 > 标题节点，然后将标题设置为时间 (s)。
l选择绘图 > Bubble Diameter 监视器绘图 > 轴 > Y 轴 > 标题节点，然后将标题设置为直径。
现在，实验数据与预测的气泡直径显示在同一个绘图中。报告绘图场景如下所示：
动图如下
