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多相流模型 Introductory FLUENT Training 简 介 相是指在流场或者位势场中，具有相同的边界条件和动力学特性的同类物质. 相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式: 具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相 （液相－液相，例如：油－水） 流体体统包括基础相（primary）和若干从属相 （secondary）组成 基础相(primary) 是连续介质 从属相 (secondary) 分散在 基础相中 可以有多个不同尺寸的颗粒从属相 比较而言, 多组分流动是一种可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动。 选择多相流模型 为能选择合理的模型，用户需要预先了解流动的特点: 流态 微粒 (连续介质中的气泡，液滴和固体颗粒) 分层 (流体分界面的长度和域的长度相当) 多相湍流模型 在颗粒流动中，以下值需要估算 颗粒体积含量 Stokes数 多相流的各种形式 气泡流－连续流体中的离散气泡， 例如： 减震器， 蒸发器， 喷射装置。 液滴流－连续气体介质中的离散液滴，例如 ： 喷雾器，燃烧室 弹性流－液相中的大气泡 分层/自由表面流－被清晰界面分开的互不相混的流体，例如：自由表面流 粒子流－连续液体中的固体颗粒，例如 ：旋风分离器，空气清新器，吸尘器，尘埃环境流 流化床－沸腾床反应堆 泥浆流 – 流体中含有颗粒、固体悬浮物、沉淀、水力输运 体积载荷和颗粒载荷 体积载荷 – 稀疏型或者密集型 指从属相（ secondary phase）的体积分数 稀疏型 ( 10%)， 内部颗粒间的距离大于颗粒直径两倍，因此，颗粒间的相互作用可以忽略。 Stokes数 流体系统中有颗粒时，根据Stokes数选择合适的模型 Stokes数(St)是粒子(离散相)时间松弛系数(τd)和流动特征时间尺度(τc)的比值。 其中 . ， D 和 U 是流动特征长度和速度。 如果 St 1, 颗粒将会跟随流场流动。 如果 St 1, 颗粒流动独立于流场流动。 混合物质相 在 FLUENT的所有多相流模型中，任何相都可以看成是由单个物质或多个物质组成的混合物构成。 混合相的材料定义和单相流中的定义一样。 可以建立异相间的反应 (反应物和产物属于不同相)。 这意味着异相反应将导致相间的质量传输 FLUENT中的多相流模型 适合颗粒流的模型 离散相模型 (DPM) 混合模型 欧拉多相流模型 适合有分界面的模型 VOF模型 离散相模型 (DPM) 拉格朗日计算方法下粒子/液滴/气泡的轨迹 粒子可以与连续相交换热，质量和动量。 每条轨迹都是由一组初始条件相同的颗粒形成。 粒子与粒子间的相互作用可以忽略。 可以使用随机轨道方法或者粒子云模型来建立湍流扩散模型。 子模型 离散相的加热/冷却 流体液滴的汽化和蒸发 燃烧粒子的挥发和燃烧 喷雾模型中液滴的破碎聚合 侵蚀/沉积 DPM模型的适用条件 流态: 气泡流, 液滴流, 粒子流 体积载荷: 必须是稀疏型 (体积率 12%) 粒子载荷: 少量到适中 湍流模型: 相间的耦合从弱到强 Stokes数: 所有 Stokes数 应用举例 旋风分离器 喷雾干燥器 粒子的分离和分类 液体燃料 媒粉燃烧 DPM 举例 – 喷雾干燥器仿真 使用FLUENT中DPM模型模拟仿真喷雾干燥过程，包括液体喷雾进入加热室接触干燥粉末时的流动，热交换和质量交换。 优化喷雾干燥器中的不同参数时，CFD仿真技术起到不可或缺的作用。 喷雾干燥器仿真 (2) 欧拉多相模型 欧拉多相模型 欧拉多相流模型基于平均N-S方程，可以计算任意粒子和连续相物质。 对每一相求解守恒方程。 每相同时共存: 每相的守恒方程都包涵单相项（压力梯度，导热率等）＋界面项。 界面项包括动量（升力），热量和质量交换。相间速度和温度差异使得机械能和热能的交换是非线性的。 提供了附加的模型（湍流模型等）。 欧拉模型中的颗粒相关选项 当固体颗粒的浓度较高时，流动成为颗粒流，颗粒间的相互碰撞加剧。 粒子考虑为有一定密度、分子相互碰撞的云团组成。颗粒相应用了分子云理论。 运用这个理论，连续相和粒子相的动量方程将出现附加应力项 粒子速度波动强度决定了这些应力项（粒子粘性、压力等）的大小。 由于粒子速度波动造成的动能表现为“pseudo－thermal”或粒子温度。 考虑了粒子相的不可伸缩性。 欧拉模型的适用条件 流态： 气泡流, 液滴流, 泥浆流, 流化床, 粒子流 体积载荷： 稀疏－稠密 颗粒载荷： 低到高 湍流模型： 相间的耦合从弱到强 Stokes数 ： 所有 应用举例 高浓度粒子流 泥