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Fluent ｜DPM模型常见问题[2]

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家
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CFD之道

6月前浏览2023

Q6：离散相模型(DPM)后处理可选择哪些选项？
”

在Contours面板或类似界面中，如选定离散相模型(DPM)，可选择以下变量以便进行后处理：

DPM Mass Source [kg/s] – 连续相与分散相间总质量交换量
DPM Erosion [kg/m²·s] - 计算任意壁面界面上的侵蚀速率
DPM Accretion [kg/m²·s] - 壁面处粘附沉积速率，依据特定方程计算
DPM XYZ mOMENTUM Source [N] – 连续相与分散相在x、y、z方向上的动量交换量
DPM Swirl Momentum Source [N] - 分散相向连续相传递的漩涡流动动量交换量
DPM Sensible Enthalpy Source [W] - 连续相从分散相接收的显焓交换量
DPM Enthalpy Source [W] - 连续相从分散相接收的焓交换量（包括显焓及形成热）
DPM Absorption Coefficient [1/m] - 考虑辐射时，分散相计算中的吸收系数
DPM Emission [W/m³] - 单位体积内分散相粒子发射的辐射量
DPM Scattering [1/m] - 散射系数，在包含辐射的分散相计算中
DPM Burnout [kg/s] - 按照燃烧定律（第五定律），分散相向连续相的质量交换量
DPM Evaporation/Devolatilization [kg/s] - 通过液滴粒子的蒸发或燃烧脱挥，分散相向因蒸发或脱挥释放的化学物种的质量交换量
DPM Concentration [kg/m³] - 分散相的总浓度
DPM Species-n Source [kg/s] - 通过液滴粒子的蒸发或燃烧脱挥，向因蒸发或脱挥自分散相释放的特定化学组分的质量交换量（例如显示为DPM O2 Source）

Q7：在二维轴对称模型中使用Surface注入时，为什么轴上的DPM浓度更高？
”

DPM可用于二维轴对称流计算。二维中的DPM注入设置与三维情况相似。例如，在二维轴对称情况下，也会提供针对完整弧度预期的颗粒流量。

在表面注入中，每条轨迹的质量流量默认为均匀分配。在二维轴对称网格中，单元体积计算为( )，因此即便是在均匀的面网格中，其体积也会随着接近外表面而增加。

DPM浓度与DPM质量流量和网格体积的比值成正比，因此在网格体积最小的轴附近DPM浓度最高。这导致了如图2所示的DPM浓度分布。为了避免因网格体积带来的这种偏差，在设置DPM注入时，可包含选项Scale Flow Rate by Face Area。网格面的面积计算为( )，这样可以调整质量流量，从而在这种具有均匀网格的情况下，DPM质量流量与单元体积的比值在整个域内变得均匀。

注意：此演示案例采用均匀网格，以便清晰展示推荐设置的效果。在实际情况中，离散相浓度的均匀性还会进一步受到颗粒分离、单元尺寸变化以及每个网格驻留时间等流体物理现象的影响。

Q8：对于二维平面问题，DPM颗粒和流体的质量流量输入是如何处理的？入口并无实际面积，也无实际体积，那么表面和体积积分是如何计算的呢？
”

在二维案例中，最初提供的DPM粒子和流体的质量流量假定与模型为模型深度为1米时的情况相对应。这可以通过更改Boundary Conditions >Reference Values下的参数depth来缩放质量流量。调整depth后，区域内部会相应地缩放质量流量，以便报告的物理量与缩放后的质量流量相对应。

举个例子：

如果注入等质量的颗粒和流体（两者密度均设为1000 kg/m³）。如果初始设置depth为1米，DPM浓度的体积积分监视器可能显示为64千克。然后，如果将depth改为0.5米，并重新运行模拟，体积积分监视器立即下降到32千克。在每种情况下，DPM质量都与通过密度体积积分得到的注入气体质量相匹配。但DPM颗粒的面积平均浓度保持不变。

Q9：在DPM中，为何需同时定义“速度”和“质量流量”？
”

在使用DPM模型时，如果想在Fluent中跟踪颗粒轨迹，同时设置“速度”和“质量流量”有时可能会引起混淆。

通常情况下，速度和流率通过以下公式相关联：

如果面积和密度值已知，则通过设置质量流量可以自动计算出速度。反之，如果给定了速度，也可以求得质量流量。

在DPM中为何需同时定义速度和质量流量？喷嘴是否必须满足上述关系？

当流体为连续时，上述速度与质量流率的关系式必须满足，因为流体占据了流道或喷嘴的整个截面面积。然而，喷嘴作为一种形成液滴的装置，所提供的液体被破碎成液滴形式。这些液滴是不连续的，并且可能不会占据喷嘴的整个截面。因此，尽管质量流率与连续流体相同，但液滴的速度却不同于基于上述表达式计算出的速度。

如果向雾化器提供了质量流量，并且基于截面面积计算速度，通常计算出的速度会与实际情况有显著差异。通常情况下，需要根据实验中使用的特定质量流量设定得到的速度。

Q 10：在使用 DPM 进行蒸发-沸腾分析时，温度可能会出现非物理解，应该怎么处理？
”

固体、液滴和气泡被视为颗粒，它们的运动轨迹通过拉格朗日方法进行计算。颗粒的运动通过作用在其上的力来求解。流体则通过NS方程进行求解。颗粒内的温度变化依据以下方式计算：

式中，为颗粒中的温度变化；为对流换热量；为由于蒸发/沸腾导致的能量变化；为辐射贡献。

由于受计算资源限制，无法跟踪每一个颗粒的轨迹，因此将颗粒划分为多个颗粒包，计算时一个液滴的轨迹代表整个颗粒包。因此在每个时间步长中，加入到网格的源项为=颗粒包内的液滴数量 x 单个液滴的蒸发量。

参见图1作为示例。

考虑一个例子，1个尺寸为1e-5 [m]，密度为1000 [kg/m3]，质量流量为1e-3 [kg/s]的颗粒包。其体积由以下公式给出：

使用密度和体积计算得到的质量为：

使用质量流量和质量计算得到的每秒流动的粒子数量为1.90986 x 10^9。由于源项 = 一个颗粒包中液滴的数量 x 一个液滴中蒸发的量，因此网格中的流体在瞬间失去了能量，从而导致温度过度下降。

考虑颗粒包中液滴的数量，因为蒸发量 = 单个液滴的蒸发量 x 液滴数量。为了改善数据，调整喷射时间并增加颗粒流数量，如图2和图3所示。注意，喷射时间可以独立于流动时间步长进行设置。

关于网格体积。由于蒸发过程中能量被加入网格，较小的网格体积受此影响更大。为解决这一问题，需增大网格尺寸，同时确保流动分析的准确性不受影响。
关于饱和蒸汽压。蒸发是根据浓度梯度计算的。在默认设置中，低温下的饱和蒸气压较大。为了校正这一点，应将饱和蒸汽压设置为温度的函数，其中0对应于下限温度。参见图4和图5。