拉格朗日：颗粒负载型流体

本文说明如何在STAR-CCM 中设置简单的拉格朗日多相分析，模拟流经部分阻塞的弯管的颗粒负载型空气流。

标准压力（1个大气压）下的空气以10 m/s 的速度进入通道。流体在通过部分阻塞的90度弯管后，竖直流出出口。假定所有流体属性都是恒定不变的。

气流中植入了固体颗粒，均匀地分布在管道入口处。进气中的颗粒体积加载量是 0.01%，这相当于颗粒体积流率为 6.4516 x 10–7 m3 /s。颗粒属性如下：

• 密度：1.2 x 103 kg/m3

• 直径：4 x 10–5 m

• 初始速度：(10, 0, 0) m/s

假定管道壁面具备绝热和无滑移条件。使用默认的 K-Epsilon 模型为湍流 建模。忽略从壁面完全回弹的所有颗粒和重力影响。本文使用的几何如下图所示。

导入网格，命名模拟

1.获得本文所用模型的链接如下（体网格导入）：

见附件

2.将模拟另存为 obstructedElbow.sim。

可视化已导入的几何

1.使用鼠标控制钮按下图所示调整视图。

2.为使几何的内部特征可见，需更改几何的表面不透明度。打开场景 > 几何场景 1 > 显示器节点，然后选择几何 1 节点。

3.将不透明度设定为 0.5。

选择物理模型

物理模型定义模拟的主变量，包括压力、温度、速度和用于生成求解的数学公式。

在本模拟中，流体是湍流且不可以压缩。分离流模型同默认 K-Epsilon 湍 流模型一起使用。拉格朗日多相模型用于构建离散相模型。

本分析中仅需要一个区域来表示连续相（即空气）。默认情况下，导入网 格时会自动创建物理 1 连续体。编辑连续体，以便为空气流体区域选择适 当的物理模型。

要选择物理模型：

对于物理连续体连续体 > 物理 1，按顺序选择下列模型：

设置连续相材料特性

设置连续相的材料特性。连续相的默认材料是空气，在本教程中空气被视 为不可压缩。更新空气的默认材料特性，使其密度为 1.205 kg/m3，动力 粘度为 1.82E-5 Pa-s。

要设置连续相材料特性：

编辑物理 1 > 模型 > 气体 > 空气 > 材料特性节点，然后设置下列属性：

选择拉格朗日相模型

创建拉格朗日相，并选择适当的相模型。这些模型代表拉格朗日相的特征。

要创建拉格朗日相并选择相模型：

1.在物理 1 连续体中，右键单击模型 > 拉格朗日多相 > 拉格朗日相节 点，然后创建一个新相。

2.对于相 1 相，请选择下列模型：

设置拉格朗日相模型属性

为拉格朗日相模型指定适当的属性。

要为拉格朗日相模型设置属性：

编辑拉格朗日相 > 相 1 > 模型节点，然后设置下列属性：

设置拉格朗日相边界条件

设置拉格朗日相边界条件的边界相互作用模式。

要设置拉格朗日相边界条件：

编辑拉格朗日多相 > 拉格朗日相 > 相 1 > 边界条件 > 壁面节点，然后 设置下列属性：

设置连续相边界条件

定义连续相边界条件。出口和壁面边界的默认边界条件适合本分析。指定 入口边界条件为 10 m/s 的固定速度以及适当的湍流参数。

要设置连续相边界条件：

编辑区域 > Default_Fluid > 边界 > 入口节点，然后设置下列属性：

设置喷射器

设置喷射器以将离散拉格朗日相的颗粒导入求解域。喷射器定义颗粒的初始状态。

要设置喷射器：

1.右键单击喷射器节点，然后选择新建。

2.选择喷射器 > 喷射器 1 节点，然后将类型设置为零部件喷射器。

3.将输入设置为区域 > 默认流体 > 边界 > 入口。

4.将拉格朗日相设置为相 1。

5.在求解初始化过程中计算出喷射点数以前，点数属性一直为 0。指定喷射 器的条件和值以定义颗粒。打开喷射器 > 喷射器 1 节点。

6.编辑下列节点，设置适当的属性：

设置求解器参数和停止条件

为模拟设置适当的求解器参数和停止条件。基于连续性方程残差创建新的 停止条件，并将其最小容差设置为 1E-4。

要设置求解器参数和停止条件：

1.编辑求解器节点，然后设置下列属性：

基于连续性方程残差创建了新的停止条件，其最小容差为 1E-4。

2.右键单击停止条件节点，然后选择创建新标准 > 根据监视器。

3.从“选择监视器”对话框中选择连续体并单击确定。

4.编辑停止条件节点，然后设置下列属性：

可视化求解

查看模拟结果。在求解形成过程中，可查看通过流体区域的截面上的速度矢量。

要可视化求解：

1.右键单击场景节点，然后选择新建场景 > 矢量。矢量场景 1 显示出现。创建一个用于显示的平面截面零部件。

2.右键单击衍生零部件节点，然后选择新建零部件 > 截面 > 平面。随即显示新的创建平面截面原位交互对话框。

3.在平面参数框中，将法线设置为 (0,0,1)，将原点设置为 (0,0,0.02)。

4.在显示框中，选择单选按钮现有显示器以在当前场景中显示平面截面。

完成的对话框如下所示。

5.单击创建以创建平面截面。

6.单击创建平面截面对话框中的关闭。衍生零部件节点中随即出现一个节点平面截面。

平面截面零部件显示在矢量场景几何中。要显示平面截面上的速度矢量， 还必须将零部件添加到矢量 1 显示器。

7.选择场景 > 矢量场景 1 > 显示器 > 矢量 1 > 零部件节点，然后将零部 件设置为衍生零部件 > 平面截面。

8.选择场景 > 矢量场景 1 > 显示器 > 轮廓 1 > 零部件节点，然后将零部 件设置为区域 > 衍生零部件 > 平面截面。

现在，该矢量场景已准备就绪。在运行开始以前，场景中不会显示任何矢量。

9.右键单击场景节点，然后选择新建场景 > 标量。

显示标量场景 1 屏幕。

要定义标量场景：

10.选择新的标量场景 1 > 显示器 > 标量 1 节点，然后将轮廓样式更改为 平滑填充。

11.选择标量 1 > 零部件节点，然后将零部件设置为区域 > 默认流体 > Default_Boundary_Region。

12.右键单击屏幕的标量条。在出现的弹出菜单中，选择入射质量流量 > 相1。

初始化求解并运行模拟

如果任其自然，模拟将继续运行直到完成 1000 次迭代或直至满足连 续性残差标准 1.0E-4。当模拟完成运行时保存模拟。

可视化结果

矢量图

标量图

显示颗粒轨迹

可显示轨迹文件模型记录的颗粒轨迹。

要显示颗粒轨迹：

1.右键单击工具 > 轨迹文件节点，然后选择轨迹文件。

2.在打开对话框中，选择 obstructedElbow.trk 文件，然后单击打开。

一个新节点 obstructedElbow 出现在轨迹文件节点下。与此同时，另一 个新节点颗粒轨迹会出现在模拟树中。

3.打开颗粒轨迹节点以查看从 obstructedElbow.trk 文件中导入的相 1 轨迹节点。

将颗粒轨迹添加到标量场景。

4.选择图形窗口中的标量场景 1 屏幕。

5.单击模拟树上方的场景/绘图按钮以便直接跳转到标量场景 1 节点的对象树。

首先添加特征线，然后添加颗粒轨迹。

6.选择标量场景 1 > 显示器 > 轮廓 1，然后勾选特征线属性。

7.选择标量场景 1 > 显示器 > 标量 1 > 零部件节点，然后单击零部件属 性的右半部分。

8.在出现的对话框中，使用 （列选择）进行全部取消，展开颗粒轨迹节点，然后选择相 1 轨迹，如下图所示。

9.继续在标量 1 节点中选择标量场节点。

10.使用下拉菜单将函数设置为轨迹 > 轨迹：颗粒停留时间。

11.在标量场景 1 屏幕中，使用鼠标控制钮按下图所示调整视图。

所有颗粒轨迹离开域所用的最长时间大约是 0.032 秒。因此，为最大停留 时间指定的求解器参数值（0.1 s）绰绰有余。