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CFD|颗粒流（除尘）流体分析预告

MIDAS官方

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G4工况粒径3mm煤矸石颗粒运动轨迹

G4工况水煤浆流线分布

固液两相流模拟泥沙颗粒运动速度及轨迹

0.5mm与0.01m颗粒直径沙粒在沉砂池内的分离情况

颗粒流主要用于追踪固体颗粒或液滴在流体当中的运动，当流体包含小颗粒固体或气体包含细小液滴时，可以使用颗粒分析。由Midas NFX提供的粒子函数可以分析考虑流体的粒子轨迹，并计算粒子对流体的影响，液体或固体颗粒称为离散相，流体称为连续相。

流场中颗粒的运动过程大致经过两个阶段的过程进行计算。第一个阶段是移动阶段，意思是粒子以各自的速度移动的过程。第二个阶段是碰撞阶段，意味着粒子碰撞或与流体发生作用而导致速度变化的过程。一小时步长期间通过两个步骤，粒子的位置和速度会交替改变。

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

每个粒子都有自己的速度，并且在每个时间步长中都会以速度移动位置。在移动过程中，可能会发生物体与粒子之间的碰撞，并且可以考虑物体的表面粗糙度，应用各种碰撞条件。

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：

镜面反射、漫反射和混合边界 (CLL) 条件用于处理粒子与任意对象碰撞的运动。在镜面反射的情况下，入射角和反射角移动相等，而漫反射则沿随机方向移动。混合边界条件是镜面反射和漫反射的混合形式，在镜面反射方向聚焦的方向上随机移动。

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。

作用于粒子的阻力和升力

阻力的计算公式如下：

midas NFX CFD提供了多种曳力模型来求解不同流态或不同颗粒属性下颗粒在流场中受到的拖曳阻力，如斯托克斯定律模型、斯托克斯-坎宁安模型、球形阻力模型、非球形阻力模型和流线模型。

② 升力

当粒子移动时，由于流动内的速度梯度而产生升力。这种现象被称为萨夫曼升力。NFX CFD通过在垂直于流体流动的方向上以不同的自由度计算该力。

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：