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Fluent PBM模型及欧拉多相流应用讲解

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导读:又是一年开学季,又有很多小伙伴要开始接触Fluent软件了。初次接触这个软件的同学,可能会一脸懵,当年我也是如此。一方面不能理解Fluent、ANSYS、Mesh等软件的区别,另一方面即使打开了软件,可能对软件的界面完全不懂,甚至可以说不知所措。《Fluent PBM模型及欧拉多相流详解20讲》从参数设置、案例实操、欧拉多相流次相颗粒属性设置、颗粒-气泡的视频课程。

一、PBM参数的设置流程

1、PBM模型概念
PBM模型被称为群体平衡模型。可考虑颗粒粒径分布,并考虑颗粒(气泡)的成核、生长、分散、溶解、聚集和破碎产生分散。与DPM模型、DEM模型等应用场景不同。
2、模型概述
模型很简单,为二维旋转对称图形,直径为0.29m。模型下部为水,下部入口处有0.23m的区域有空气泡以0.02m/s的速度向上流动。气泡初始为等直径为3毫米,在鼓泡塔中会进行破碎长大等,因此在鼓泡塔中的直径不同。同时模型的上方会有一部分空气,并没有被水填充满。出口也认为气泡等直径为3毫米
3、基本设置
3.1 导入网格
使用Fluent软件打开Chapter41.msh.gz网格文件,文件在本文末尾链接资源内。
注:这里模型是横着的,可以通过camera将模型方向调整为竖直的。
3.2 修改模型尺寸
本案例模型尺寸不需要修改,打开Scale mesh查看模型尺寸是否正确

3.3 求解器设置
基于压力求解器,瞬态设置,勾选重力,设置重力加速度为X轴-9.81,2D Space勾选Axisymmetric。
4、设置计算模型
4.1 能量方程
能量方程不必打开。
4.2 湍流模型设置
标准k-e模型,标准壁面函数。

4.3 PBM模型
PBM模型只能在mixture或者eulerian多相流模型中打开。
打开欧拉模型,Number of Eulerian Phase设置为2,表示两相流
4.4 添加water-l材料
双击air,打开材料设置界面
单击Fluent Database,找到water-liquid,点击copy,即可添加water材料
4.5 设置相
设置液态水water为主相,空气为次相,并分别在Name处改名。
设置主次相的原则:主相为流体连续相,次相为气泡或者颗粒。
切换到次相空气,会显示如下界面。
此处不必指定直径,在后面的PBM模型的设置中,也会指定颗粒粒径的分布,最终用sauter-mean粒径会覆盖掉此处指定的值。
5、PBM模型设置
5.1 打开PBM模型
打开欧拉模型后,最上面一行最后一列可以看到
Population Balance Model,即PBM模型,点击此列可设置PBM模型
需要设置的内容较多,这里简单介绍,后面会出一篇详细参数设置理论的文章
注:之前的版本19.2:必须采用TUI命令开启(必须是mixture或者eulerian)现在的版本2021R1:不需要TUI打开,欧拉或者混合模型界面就有PBM模型
5.2 模型方法Method
可采用

– Discrete

– Inhomogeneous discrete

– Standard moment

– Quadrature moment

– DQMOM
前两个都是离散的方法,后三个都是矩阵的方法。本案例使用Discrete
5.3 粒径设置方式
粒径设置有两种方式,第一种Geometric Ratio即通过几何比率设置;第二种File,通过文件导入,文件格式有一定的要求。
上图界面中的Kv是一个和颗粒形状相关的参数,默认值为球形颗粒参数。其他的设置如Print Bins和Size Calcutator,相对不那么重要,这里不再说明。
5.4 颗粒粒径区间Bin设置
使用第一种方式Geometric Ratio设置粒径分布,需要设置Bins。
本例设置参数:Bins=6,Ratio Exponent=2,Min diameter=0.001191
Bins栏的phase为次相。bins表示的是颗粒粒径分了多少段,数值为几表示分了几段。Ratio Exponent表示的是颗粒体积等比系数。本案例粒径为气泡直径
Min diameter表示的是颗粒粒径的最小值。Max diameter不必设置,经过bins和Ratio Exponent的设置后能够自动求解出Max diameter。
5.5 Phenomenas现象设置
PBM可以模拟四种颗粒/气泡现象。分别是:
Nucleation Rate:核化
Growth Rate:长大
Aggregation Kernel:聚集
Breakage Kernel:破裂
本案例勾选Aggregation Kernel和Breakage Kernel

6、操作条件设置

设置操作密度可加快收敛,对结果没有影响。在自然对流,打开布新涅斯克假设时,操作密度影响巨大。
设置依据:对于多相流,操作密度一般设置为密度较小的一相
7、边界条件设置
7.1 vinlet边界设置
设置为速度入口边界条件
混合相:湍流强度和水力直径的设置会影响收敛的快慢,但不会应该收敛的结果。
空气相:由于工况为入口处有空气泡以0.02m/s的速度向上流动。气泡初始为等直径为3毫米,出口也认为气泡等直径为3毫米。
因此设置入口空气相速度为0.02 m/s,入口空气相体积分数为1,指定Bin-3-fraction为1。Bin3刚好是颗粒粒径为0.003m。
最上面的VOF等于1,表示进口全是颗粒/气泡。下面的Bin3-vof等于1表示进口颗粒的粒径只是bin3所表示的粒径。
液态水相:速度设置为0
7.2 outlet设置
设置为压力出口边界条件
混合相:与vinlet设置相同
空气相:出口也认为气泡等直径为3毫米,出口空气相回流体积分数为1,指定Bin-3-fraction为1。Bin3刚好是颗粒粒径为0.003m
8、求解方法
8.1 求解方法
Solution-Solution Methods
PBM方程默认离散格式的求解精度是 First Order Upwind,亚松驰因子是0.5。保持默认即可
8.1 求解控制
Solution-Solution Controls
保持默认即可
9、初始化
标准初始化,Compute from选择vinlet
单击Initialize后,进行patch操作
注:这里需要注意,由于Compute from选择vinlet,初始化空气的体积分数为1,因此需要将模型下标区域patch为水。
下面需要进行patch操作,在patch之前需要标记要patch的区域
标记区域
Domain-Adapt-Refine/coarsen-cell registers-New-Region

按上图输入数值,单击save/Display可显示标记的计算域下半部分区域。
Patch air区域
在初始化界面下单击patch,只有初始化之后,patch按钮才可用
按上图设置,Phase选择air,Variable选择Volume Fraction,Value输入0,Registers to Patch选择刚才标记的区域region-0。注意,不要选择surface。单击patch。此时计算域下半部分为液相区。
通过Results-Graphics-Contour可查看patch之后的相分布,若patch操作正确,则相分布应如下图。

10、计算设置

Time Step Size设置为0.001,时间步设置为1000步,每时间步最大迭代次数设置为20。
11、后处理
11.1 air相流速云图
11.2 Bin3=0.3mm气泡体积分数分布
11.3 出口颗粒粒径分布
二、Fluent PBM模型及欧拉多相流详解
为了帮助大家更好理解  掌握  PBM模型参数设置、欧拉多相流次相颗粒属性设置、颗粒-气泡等 ,笔者  近日在仿真秀首发的视频课程  Fluent PBM模型及欧拉多相流详解20讲帮助工程师和理工科学子更好的理解。  

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2、适合谁看
(1)流体力学研究生:正在攻读或已经拥有流体力学或相关领域的研究生学位,这门课程将为你提供一个更加深入的了解多相流建模和模拟的机会。这对于未来的研究或职业发展都具有重要意义。
(2)化工工程师:对于从事化工过程设计、反应工程等领域的工程师,学习这门课程有助于理解多相流对于化工过程的影响,并能够更准确地模拟和优化工程过程。
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3、你会得到什么

(1) **PBM模型的理论和设置**:课程首先介绍了Population Balance Model (PBM)的理论基础,涵盖了颗粒分布、颗粒大小、数量等关键参数。学生将深入了解PBM如何描述不同颗粒之间的相互作用和演化。
(2)**PBM模型分区bin的设置**:详细讲解了如何将颗粒分布分成不同的bin,并解释了这种分区方法在多相流模拟中的意义。这有助于更准确地描述颗粒大小和数量分布。
(3)**PBM模型边界条件的设置**:课程涵盖了如何设置PBM模型的边界条件,包括设置volume fraction(体积分数)和bin-i-fraction(特定bin内的分数)的依据。相关文件和案例将帮助学生深入理解如何应用这些设置。
(4)**欧拉多相流界面次相界面物性参数的设置**:详细探讨了在欧拉多相流中设置界面物性参数的理论和依据,帮助学生理解多相流界面的物性如何影响模拟结果。
(5)**两相相互作用力的理论及设置**:全面介绍了多相流中各种相互作用力的理论,包括Drag Force(阻力)、Lift Force(升力)、Wall Lubrication Force(壁润滑力)等。课程将教授如何设置这些力来模拟颗粒之间的相互作用。
(6)**两相传质和传热模型的选择依据**:详细讲解了在多相流模拟中如何选择合适的传质和传热模型,考虑到不同颗粒特性和环境条件。
(7)**PBM模型的长大Growth速率、Aggregation团聚和成核速率的设置**:深入研究了PBM模型中颗粒长大速率、团聚模型和成核速率的设置,涵盖了UDF编写和现有模型的应用。
(完)

来源:仿真秀App
Fluent多相流群体平衡UDF湍流电子油气理论材料控制ANSYS
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首次发布时间:2023-09-07
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