【小王说流体】施工扬尘泵站沉沙管道积尘颗粒流get，NFX CFD离散相颗粒分析功能介绍！

在midas NFX CFD中求解流场中的颗粒运动，工程师只需要对颗粒属性、颗粒在计算域中的生成或初始分布方式以及颗粒在流场中的受力情况进行定义，就可以计算待求流场中颗粒物的运动特性、运动轨迹、颗粒物浓度以及考虑壁面的颗粒物碰撞或沉积、或者流场对粒子交互影响、又或者是温度场对粒子热运动的动力特性影响。

midas NFX CFD颗粒分析的一般实现策略只需要三个步骤。如图2所示，首先，对流场中待求粒子的基本物理属性进行定义；其次，对粒子在流场域中的生成方式或初始分布进行定义；最后，根据不同的工程计算需要，勾选粒子分析中需要考虑的外部影响，包括了流场与粒子的单向交互和双向交互以及温度场作用。

图2  midas NFX CFD中的一般求解策略

（离散相颗粒与流体的单双向交互作用，单向为粒子仅接受来自流场的影响，流场不受粒子运动的影响。双向为不仅流场会影响粒子的运动特性，反之粒子的运动特性会反映到流场流动特性中。）

• MIDASNFX中颗粒分析DPM模型的应用范围：

• MIDAS NFX中颗粒分析DPM模型的局限性：

① 不能用于模拟涉及到相变的过程。

② 不能用于涉及到反应流的作用。

③ 当颗粒直径过小且范围相对较大时，如粉尘扩散等，不适宜采用颗粒分析，此时可根据工程需要考虑使用组分传输功能求解相关问题。

图2  粒子运动概念图

• 粒子的运动特性及考虑壁面碰撞的反射条件
  

在midas NFX CFD中，采用的是二阶精度的速度-伯莱特方法。移动阶段中的时间积分方程如下：

图3  粒子分析中的壁面边界条件

移动的粒子受到周围流体或其他作用而受力。受力的粒子会产生与力相对应的加速度，速度也会随之变化。碰撞阶段中的时间积分方程：

通过计算施加在粒子上的力来计算在下一阶段的速度。

• 流场中粒子运动过程中的外力：阻力、升力、浮力以及湍流随机运动

  ①  阻力及曳力模型

粒子在移动中与流体作用时受到力。因此，粒子具有跟随流体流动的性质，即阻力减小的方向。粒子的质量越小，粒子的惯性越小，所以它会跟随流体的流动，粒子的质量越大，它会偏离流体的流动。

阻力的计算公式如下：

②  升力

图5  萨夫曼升力原理示意图

③  浮力

在midas NFX CFD中，考虑到作用在粒子和周围流体上的重力，密度差产生的浮力可以应用于粒子分析。浮力是通过以下表达式应用的：

④  湍流随机运动

湍流随机运动是一种计算湍流上旋涡与粒子之间相互作用的方法。湍流随机运动是由湍流的动能得到的速度扰动的正态分布得到的速度，以及从旋涡的持续时间经过统计处理得到的特征时间模拟的旋涡特性。在midas NFX CFD中，将从统计生成的旋涡特性中求得阻力，从而实现粒子的不规则运动。

• 温度对粒子运动的影响：热泳、布朗运动

  ①  热泳

气体温度是测量气体分子动能的值，温度越高，气体分子运动越活跃，温度越低，气体分子运动越少。此时，在温度梯度的情况下，温度高的一侧分子运动活跃，与温度低的一侧相比，具有更高的动量 .如果粒子位于温度梯度存在的地方，那么粒子在温度高的方向和温度低的方向上的分子和粒子之间的力会发生不平衡，从而导致粒子从温度高的地方向温度低的地方移动。这种现象被称为热泳。

NFX CFD中热泳产生的力按如下方式计算：

每个流体分子都在以对应于热速度的速度运动，而我们看到的流体速度就是流体分子的热速度的平均值。平均的流体分子数越少，统计偏差越大。在微粒的情况下，粒子周围的流动足以引起这样的统计偏差，并且与粒子表面碰撞的分子的动量也是高度可变的。这种动量偏差导致微粒的不规则运动，称为布朗运动。

引起粒子布朗运动的力计算如下：

图7  布朗运动示意图