Fluent案例｜欧拉颗粒流传热

本教程研究在均匀的最小流化条件下，热气体流化床中空气和由玻璃颗粒组成的粒状固相的流动。将 Fluent 中获得的局部壁到床传热系数的结果与文献分析结果进行比较。

 

注：本文为 Fluent Tutorials 25。相关文件可从官网自行下载。本文内容采用Claude2全文翻译，文字没有经过核对。

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1 案例介绍

本教程演示以下操作：

1. 使用欧拉颗粒模型
2. 设置内部流动的边界条件
3. 编译气相和固相导热系数的用户自定义函数 (UDF)
4. 使用压力基求解器进行求解

2 问题描述

这个问题考虑一个热气体流化床，其中空气向上流经区域的底部，并通过一个加热壁旁边的一个额外的小孔。

案例的几何形状及边界条件数据如图所示。

3 Fluent求解设置

3.1 启动Fluent

1. 启动 Fluent。
2. 在左上角的选择列表中选择 Solution 以在Solution 模式下启动 Fluent。
3. 在 Dimension 下选择 2D。
4. 在 Options 下启用 Double Precision。

 

注意： 多相流仿真建议使用双精度求解器。

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3.2 读取网格

1. 利用菜单File → Read → Mesh... 读取网格文件 fluid-bed.msh。
2. 点击按钮Domain → Mesh → Check → Perform Mesh Check检查网格。

确认网格最小体积是正值。

 

注意：可以使用右键在图形窗口中单击以检查每个边界对应的区域编号。如果在图形窗口中的边界之一上单击右键，其区域编号、名称和类型将输出在 Fluent 控制台中。当计算模型中存在几个相同类型的区域并希望快速区分它们时，此功能特别有用。

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3.3 General设置

• 选择模型树节点Setup → General，启用压力基瞬态求解器。
1. Type 保留默认选择 Pressure-Based。多相流计算必须使用压力基求解器。
2. Time 列表中选择 Transient。
3. 激活选项Gravity。
4. 指定Gravitational Acceleration 为Y方向-9.81 m/s 2。

3.4 Models设置

1. 右键模型树节点Setup → Models → Multiphase，点击弹出菜单项Eulerian启用欧拉多相模型，采用默认设置

使用欧拉模型的默认设置，因此可以通过右键单击Multiphase 节点并从上下文菜单中选择Eulerian来直接启用它。

1. 双击模型树节点Setup → Models → Energy → On通过启用Energy方程启用传热。

1. 利用模型树节点Setup → Models → Viscous Model → Laminar采用层流计算。

3.5 编译及加载UDF

• 利用User Defined → User Defined → Functions → Compiled...编译用于定义气相和固相导热系数的UDF文件 conduct.c。
• 单击 Source Files 下的 Add... 按钮打开 Select File 对话框
• 选择文件 conduct.c
• 点击 Build按钮。Fluent 将创建一个 libudf 文件夹并编译 UDF。
• 点击 Load 按钮加载 UDF。

3.6 Materials设置

修改将用于主相的空气的属性。

1. 指定Density 为1.2 kg/m 3。
2. 指定Cp 为994 J/kg-K。
3. 从Thermal Conductivity下拉列表中选择user-defined 打开User Defined Functions 对话框
1. 从可用列表中选择 conduct_gas::libudf
2. 单击 OK 关闭 User Defined Functions 对话框
4. 点击 Change/Create 并关闭 Materials 对话框。

定义一个新的流体材料作为颗粒相。

1. 指定Name 为solids。
2. 指定Density 为2660 kg/m 3。
3. 指定Cp 为737 J/kg-K。
4. 保留Thermal Conductivity下拉列表中选择user-defined。
5. 点击 Edit... 按钮打开 User Defined Functions 对话框。
1. 在 User Defined Functions 对话框中选择 conduct_solid::libudf 并点击 OK。
2. 将打开一个Question 对话框，询问您是否要覆盖air。
3. 在 Question 对话框中点击 No。
6. 点击 Change/Create 并关闭 Materials 对话框。

3.7 相设置

1. 在Multiphase Model 对话框的Phases 选项卡中，将空气定义为主相。
1. 在 Phases 选择列表中，选择 phase-1 – Primary Phase。
2. 指定Name 为 air。
3. 确保从 Phase Material 下拉列表中选择了air。
4. 点击 Apply。

 

重要提示：在设置案例时，如果在当前选项卡中进行了更改，应该及时单击Apply按钮使其生效，然后再移动到下一个选项卡。否则，其他选项卡中可能不会提供相关模型，并且您的设置可能会丢失。

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1. 将solids(玻璃颗粒)定义为次相。
1. 在 Phases 选择列表中，选择 phase-2 – Secondary Phase。
2. 指定Name 为 solids。
3. 从 Phase Material 下拉列表中选择solids。
4. 启用 Granular。
5. 在 Granular Temperature Model 组框中保留默认选择 Phase Property。
6. 指定Diameter 为 0.0005 m。
7. 从 Granular Viscosity 下拉列表中选择syamlal-obrien。
8. 从 Granular Bulk Viscosity 下拉列表中选择lun-et-al。
9. 从 Granular Temperature 下拉列表中选择constant，并输入 1e-05。
10. 指定Packing Limit 为 0.6。
11. 点击 Apply。

1. 在Multiphase Model 对话框的Phases Interaction 选项卡中，定义要使用的相互作用。
1. 在Forces 选项卡中，从Drag Coefficient 组框中的 Coefficient 下拉列表中选择 syamlal-obrien。
2. 点击 Apply。
3. 转到 Heat，Mass，Reactions 选项卡。
4. 在Heat 选项卡中，从Heat Transfer Coefficient 下拉列表中选择 gunn。
5. 点击 Apply。
6. 在Interfacial Area 选项卡中，从Interfacial Area 下拉列表中选择ia-symmetric。默认的ia-particle方法最适合典型的分散相应用，其中次相的体积分数低于 30%。在此分析中，次相的体积分数较高 (接近 60%)。ia-symmetric 相关性对这种情况更准确，因为它在界面面积计算中考虑了主相和次相的体积分数。
7. 点击 Apply 并关闭 Multiphase Model 对话框。

3.8. 边界条件设置

1、v_uniform边界

对于欧拉多相流模型，需要在速度入口指定对主相和次相特定的条件。

1. 从 Phase 下拉列表中选择air。
1. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框。
2. 从 Velocity Specification Method 下拉列表中保留默认选择 Magnitude，Normal to Boundary。
3. 指定Velocity Magnitude 为 0.25 m/s。
4. 单击 Thermal 选项卡，并为 Temperature 为 293 K。
5. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。

1. 从 Phase 下拉列表中选择solids。
1. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框
2. 保留默认的 Velocity Specification Method 和 Reference Frame。
3. 保留默认值 0 m/s 指定Velocity Magnitude。
4. 单击 Thermal 选项卡，并为 Temperature 为 293 K。
5. 单击 Multiphase 选项卡，并保留默认值 0 指定Volume Fraction。
6. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。

2、v_jet边界

1. 从 Phase 下拉列表中选择air。
1. 保留默认的 Velocity Specification Method 和 Reference Frame。
2. 指定Velocity Magnitude 为 0.25 m/s。为了与文献[1]的分析结果进行有意义的比较，在此模拟中，您将在床底的两个进口处使用等于最小流化速度的均匀气相速度值。
3. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框。
4. 单击 Thermal 选项卡，并为 Temperature 为 293 K。
5. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。

1. 从 Phase 下拉列表中选择solids。
1. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框。
2. 保留默认的 Velocity Specification Method 和 Reference Frame。
3. 保留默认值 0 m/s 指定Velocity Magnitude。
4. 单击 Thermal 选项卡，并为 Temperature 为 293 K。
5. 单击 Multiphase 选项卡，并保留默认值 0 指定Volume Fraction。
6. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。

3、poutlet边界

压力出口处的热力条件只有在气流通过该边界进入域时才会使用。您可以将其设置为与入口值相等，因为在压力出口处不会出现流动逆转。但一般情况下，必须为这些下游标量值设置合理的值，以防在计算过程中发生流动逆转。

1. 从 Phase 下拉列表中选择mixture。
1. 单击 Edit... 按钮打开 Pressure Outlet 对话框。
2. 保留默认值 0 帕斯卡指定Gauge Pressure。
3. 单击 Apply 并关闭 Pressure Outlet 对话框。
2. 从 Phase 下拉列表中选择air。
1. 单击 Edit... 按钮打开 Pressure Outlet 对话框。
2. 在 Thermal 选项卡中，指定Backflow Total Temperature 为 293 K。
3. 单击 Apply 并关闭 Pressure Outlet 对话框。

1. 从 Phase 下拉列表中选择solids。
1. 单击 Edit... 按钮打开 Pressure Outlet 对话框。
2. 在 Thermal 选项卡中，指定Backflow Total Temperature 为 293 K。
3. 在 Multiphase 选项卡中，保留默认设置。
4. 单击 Apply 并关闭 Pressure Outlet 对话框。

4、wall_hot边界

对于加热壁，您将为混合相设置热条件，并为两个相设置动量条件 (零剪切)。

1. 从 Phase 下拉列表中选择mixture。
1. 单击 Edit... 按钮打开 Wall 对话框。
2. 在 Thermal 选项卡中，从 Thermal Conditions 列表中选择Temperature。
3. 指定Temperature 为 373 K。
4. 单击 Apply 并关闭 Wall 对话框。

1. 为主相设置加热壁 (wall_hot)的边界条件。
1. 从 Phase 下拉列表中选择air。
2. 单击 Edit... 按钮打开 Wall 对话框。
3. 保留默认的No Slip条件，然后单击Apply并关闭Wall对话框。
4. 为绝缘壁 (wall_ins)设置边界条件。

对于绝缘壁，保留混合相的默认热条件 (零热流)和两个相的默认动量条件 (无滑移)。

3.9 Methods设置

鼠标双击模型树节点Solution → Solution → Methods...进入方法设置面板

• 选择二阶隐式瞬态离散格式和高阶空间离散格式。
1. 对Pressure选择Second Order，对Momentum选择Second Order Upwind。
2. 对Volume Fraction和Energy选择QUICK。
3. 修改Spacial Discretization组框中的离散格式。
4. 从Transient Formulation下拉列表中选择Second Order Implicit。

3.10 Controls设置

• 选择模型树节点Solution → Controls → Controls...进入求解控制设置面板
• 对Pressure设置 0.5。
• 对Momentum设置 0.2。

3.11 定义场函数

1. 定义函数 t_mix
1. 从Field Functions下拉列表中选择Temperature...和Static Temperature。
2. 确保从Phase下拉列表中选择了air，然后点击Select。
3. 在计算器界面上点击乘法符号。
4. 从Field Functions下拉列表中选择Phases...和Volume fraction。
5. 确保从Phase下拉列表中选择了air，然后点击Select。
6. 在计算器界面上点击加法符号。
7. 类似地，添加项 solids-temperature * solids-vof。
8. 指定New Function Name 为 t_mix。
9. 点击Define。

1. 定义函数 k_mix。
1. 从Field Functions下拉列表中选择Properties...和Thermal Conductivity。
2. 从Phase下拉列表中选择air，然后点击Select。
3. 在计算器界面上点击乘法符号。
4. 从Field Functions下拉列表中选择Phases...和Volume fraction。
5. 确保从Phase下拉列表中选择了air，然后点击Select。
6. 在计算器界面上点击加法符号。
7. 类似地，添加项 solids-thermal-conductivity-lam solids-vof。
8. 指定New Function Name 为 k_mix。
9. 点击Define。

1. 定义函数 ave_htc。
1. 在计算器界面上点击减法符号。
2. 从Field Functions下拉列表中，选择Custom Field Functions...和k_mix，然后点击Select。
3. 使用计算器界面和Field Functions列表完成函数的定义：      。
4. 指定New Function Name 为 ave_htc。
5. 点击Define并关闭Custom Field Function Calculator对话框。

3.12 定义报告输出

• 选择工具栏按钮**Domain → Surface → Create → Point...**定义点
• 指定New Surface Name为 y=0.24。
1. 在Coordinates组框中输入 0.28494 m 指定x，0.24 m 指定y。
2. 点击Create并关闭Point Surface对话框。

• 利用Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Facet Average...为传热系数定义表面报告定义。
• 为报告定义的Name 为 surf-mon-1。
• 在Create组框中，启用Report File、Report Plot和Print to Console。
• 从Field Variable下拉列表中选择Custom Field Functions...和ave_htc。
• 从Surfaces选择列表中选择y=0.24。
• 点击OK保存表面报告定义设置并关闭Surface Report Definition对话框。

surf-mon-1-rplot和surf-mon-1-rfile会自动生成在树中 (在Solution/Monitors/Report Plots和Solution/Monitors/Report Files下)。

• 右键选择模型树节点Solution → Monitors → Report Files → surf-mon-1-rfile，点击菜单项Edit...打开编辑对话框，指定Output File Base Name为htc-024.out，点击OK关闭Edit Report File对话框。

3.13 初始化计算

• 右键选择模型树节点Solution → Cell Registers，点击弹出菜单项New → Region...打开设置对话框
1. 在Input Coordinates组框中输入 0.3 m 指定Xmax，0.5 m 指定Ymax。
2. 点击Save并关闭Region Register对话框。

此区域用于在下一步中Patch固相的初始体积分数。

• 利用模型树节点Solution → Initialization初始化
1. 从Compute from下拉列表中选择all-zones。
2. 保留默认值并点击Initialize。

• 点击按钮Solution → Initialization → Patch...，指定固相的初始体积分数。
1. 从Phase下拉列表中选择solids。
2. 从Variable选择列表中选择Volume Fraction。
3. 指定Value为 0.598。
4. 从Registers to Patch选择列表中选择region_0。
5. 点击Patch并关闭Patch对话框。

此时，显示刚才Patch的变量的分布是一种良好的做法，以确保获得了所需的场。

• 利用Results → Graphics → Contours → New...显示固相Volume Fraction的分布
1. 在Options组框中启用Filled。
2. 从上面的Contours of下拉列表中选择Phases...。
3. 从Phase下拉列表中选择solids。
4. 确保从下面的Contours of下拉列表中选择了Volume fraction。
5. 点击Save/Display并关闭Contours对话框。

3.14 迭代计算

• 双击模型树节点Run Calculation，设置以下参数
1. 将Time Step Size设置为 0.00015。
2. 将Number of Time Steps设置为 12000。
3. 指定Max Iterations/Time Step为 50。
4. 点击Calculate。

• 监测的htc变化曲线

• 保存案例和数据文件 (fluid-bed.cas.h5 和 fluid-bed.dat.h5)。

4 后处理

• 点击Results → Graphics → Contours → New... 打开对话框
1. 指定Contour Name为 contour-pressure。
2. 在Coloring组框中选择Banded。
3. 从Phase下拉列表中选择mixture。
4. 从Contours of下拉列表中选择Pressure...和Static Pressure。
5. 点击Save/Display并关闭Contours对话框。

显示的压力分布如图所示。

• 相同方式显示固相体积分数，如下图所示

(完）