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1、FLUENT模擬氣泡的破碎與凝聚 本例來(lái)自于Fluent 13.0官方教程FLUENT的附加模型population balance model可以用于計(jì)算氣泡流的破碎及匯聚。本例使用歐拉多相流配合PBM模型模擬氣泡在流動(dòng)過(guò)程中的破碎及凝聚現(xiàn)象。1、模型描述計(jì)算域幾何如圖1所示。采用如圖所示的圓柱形容器。氣泡從底部inlet入口進(jìn)入，從outlet出口流出。幾何尺寸如圖所示。由于本例的軸對(duì)稱特征，因此采用軸對(duì)稱模型。注意：FLUENT的2D軸對(duì)稱模型要求對(duì)稱軸為x軸。計(jì)算域模型如圖2所示。Axis沿著x軸方向，后邊的重力加速度即沿著x軸負(fù)方向。劃分網(wǎng)格，生成msh文件。圖1 幾何模型圖2 計(jì)算

2、域模型2、導(dǎo)入網(wǎng)格打開Fluent 14.0，讀入上一步生成的msh文件。Scale計(jì)算域，檢查是否在正確的尺寸上。選擇Transient模擬，設(shè)置重力方向x軸負(fù)方向，并且設(shè)置2D Space為Axisymmetric。如圖3所示。圖3 基本設(shè)置3、選擇模型激活PBM模型需要通過(guò)TUI命令。在TUI窗口中輸入define/models/addon-module，然后輸入yes回車即可激活PBM模型。多相流模型選擇Eulerian模型，歐拉相數(shù)量為2。如圖4所示。圖4 多相流模型湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流多相流模型采用mixture，如圖5所示。圖5 湍流模型雙擊models

3、中的population balance模型，選擇discrete，進(jìn)入圖6所示對(duì)話框，進(jìn)行如圖所示設(shè)置。圖6 PBM設(shè)置具體含義可以參考fluent PBM手冊(cè)，這里簡(jiǎn)要的說(shuō)明一下。Kv為增長(zhǎng)因子，geometric ratio為幾何對(duì)數(shù)方法，與后面的ratio exponent相對(duì)應(yīng)。Bins為直徑的數(shù)量，這里共有6組直徑氣泡，最小直徑0.001191，最大直徑是根據(jù)kv及ratio計(jì)算出來(lái)的。勾選aggregation kernel及breakage kernel，選擇aggregation kernel方法為luo-model，這時(shí)會(huì)彈出表面張力系數(shù)設(shè)置，輸入0.07。Frequenc

4、y選擇luo-model方法，同樣設(shè)置表面張力系數(shù)0.07OK，模型設(shè)置到此結(jié)束。4、材料及相設(shè)置添加材料water-liquid，材料屬性保持默認(rèn)。設(shè)置water-liquid為主相，air為第二相。第二相的diameter方法為sauter-mean。若設(shè)置相在設(shè)置PBM之前，則PBM會(huì)自動(dòng)修改此項(xiàng)。相間作用可以不用設(shè)置。5、設(shè)置計(jì)算域設(shè)置operating conditions，設(shè)置參考密度為空氣密度1.225，如圖7所示。圖7 operating conditions設(shè)置6、邊界條件設(shè)置確保axis邊界類型為axis。所有的wall邊界保持默認(rèn)，即no slip壁面邊界。（1）Velo

5、city inlet邊界：設(shè)置mixture相：如圖8所示，設(shè)置湍流參數(shù)。圖8 入口mixture相設(shè)置設(shè)置air相：設(shè)置momentum標(biāo)簽頁(yè)下的速度為0.02m/s。進(jìn)入multiphase標(biāo)簽頁(yè)，進(jìn)行如圖9所示設(shè)置。圖9 入口設(shè)置設(shè)置volume fraction為1，表示進(jìn)入的全部為air。設(shè)置bin-3-fraction為1，其他全部為0。表示進(jìn)入的氣泡粒徑為bin-3。（2）設(shè)置pressure outlet邊界Mixture相：如圖10進(jìn)行設(shè)置。圖10 出口邊界Air相：與入口air相類似，只需要設(shè)置multiphase標(biāo)簽頁(yè)，如圖11所示。設(shè)置backflow volume f

6、raction為1，設(shè)置bin-3-fraction為1，表示出口全為bin-3粒徑的air。圖11 出口設(shè)置7、求解控制Solution methods及solution controls并沒(méi)有特殊要求，可以采用默認(rèn)設(shè)置。可以利用坐標(biāo)創(chuàng)建點(diǎn)，利用Monitor檢測(cè)指定粒徑的氣泡含量，如圖12所示。圖12 監(jiān)測(cè)本例檢測(cè)點(diǎn)（1.5,0）位置的bin0,bin3,bin5體積分?jǐn)?shù)。用戶可以自己定義監(jiān)測(cè)位置及檢測(cè)變量。8、初始化設(shè)置湍動(dòng)能0.1，湍流耗散率0.25，air bin-3-fraction為1，點(diǎn)擊initialize進(jìn)行初始化。同時(shí)還需要patch區(qū)域。進(jìn)入菜單【adapt】>【

7、Region】，如圖13所示對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置。所標(biāo)記的區(qū)域位于(1.8,0)與（2,0.145,）之間。即高度1.8m以上區(qū)域。我們patch該區(qū)域全為粒徑bin3的氣體。圖13 區(qū)域標(biāo)記點(diǎn)擊patch按鈕，進(jìn)入如圖14所示對(duì)話框。圖14 patch區(qū)域氣泡粒徑圖15 patch區(qū)域體積分?jǐn)?shù)為氣體9、求解計(jì)算設(shè)置time step size為0.01s，設(shè)置number of time steps為5000，同時(shí)設(shè)置max iterations/Time step為100，如圖16所示。圖16 求解計(jì)算10、計(jì)算后處理可以觀察氣泡粒徑分布云圖等，如圖17所示為氣泡粒徑分布。圖17 粒徑

8、分布云圖也可以查看整個(gè)計(jì)算域空間不同粒徑氣泡數(shù)量直方圖分布。圖18 直方圖設(shè)置圖19 直方圖顯示上噴式噴射器內(nèi)氣泡分布的模擬發(fā)表時(shí)間：2012-7-17    作者: 郭方飛 姚云  來(lái)源: 安世亞太關(guān)鍵字: Ansys CFD 氣液混合 ：噴射器是一種高效的氣液混合設(shè)備，通過(guò)對(duì)上噴式噴射器內(nèi)氣液兩相流中氣泡尺寸分布的模擬，并和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析后，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較一致.在噴射器內(nèi)氣液泡狀流中氣泡尺寸分布主要受湍動(dòng)控制的影響，當(dāng)氣相和液相流量分別增加時(shí)，兩相間的傳動(dòng)及能量分配能夠使氣泡分散成更小的尺寸，從

9、而增大傳質(zhì)效果。同時(shí)也證明采用Ansys CFD 模型和 PBM模型能夠?qū)娚淦鲀?nèi)氣液兩相流中泡狀流范圍內(nèi)的氣泡尺寸分布進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬。1 引言     噴射器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，在化工、能源、環(huán)境工程、食品工程等各種工程行業(yè)中都有重要的應(yīng)用，如化工中的噴射式反應(yīng)器、低溫工程的渦流噴射器，各種射流泵等。噴射器用于多相流在近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注。由于噴射器內(nèi)壓力能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，能夠引起流體之間動(dòng)能、動(dòng)量的相互傳遞和分配，從而使得不同流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在特定的條件下獲得較好的流態(tài)，有助于相間傳質(zhì)傳動(dòng)，達(dá)到較好的混合效果。氣液兩相流的混合和傳質(zhì)

10、效果很大程度上受到兩相流型流態(tài)的影響。當(dāng)其中一相在另一相中形成分散相后，能夠增大相間接觸面積，從而改善相間傳質(zhì)，本文即通過(guò)模擬的方法與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，討論了噴射器內(nèi)氣液兩相的運(yùn)動(dòng)和混合狀態(tài)，了解噴射器內(nèi)氣液兩相的分布，以提供分析氣液兩相之間傳質(zhì)過(guò)程的參考。實(shí)驗(yàn)采用粒子成像測(cè)速儀拍攝噴射器一段區(qū)域（成像較好）。 2 噴射器結(jié)構(gòu) 2.1 基本結(jié)構(gòu)     噴射器基本結(jié)構(gòu)見圖1。噴射器主要由噴嘴、直管段（混合段）、擴(kuò)散段組成。 2.2 可調(diào)結(jié)構(gòu)參數(shù)     圖1所示的噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)一

11、般經(jīng)過(guò)確定后，成為磨具的基本參數(shù)，實(shí)物模型基本不發(fā)生變化，如有變化，即成為另一噴射器模型。但噴嘴與直管段間的距離是可調(diào)的，該距離的不同，會(huì)影響液體進(jìn)入噴射器直管段后的射流長(zhǎng)度。本次模擬研究時(shí)此距離取7mm。 3 模型建立     氣液兩相為多相流，因此在建立模型的時(shí)候采用CFD中的多相流模型。在選擇多相流模型時(shí)，首先根據(jù)氣液兩相可能形成的流型進(jìn)行分析，根據(jù)不同的氣液流速用實(shí)驗(yàn)的方法研究了兩相流型，當(dāng)氣體流量為0.1m3/h，液體流量0.21.0時(shí)均為泡狀流。而當(dāng)液相流量為0.6m3/h，氣相流量為0.10.4m3/h時(shí)，兩相流型也為泡狀流，但有

12、向霧狀流過(guò)渡的趨勢(shì)。本次研究的氣液流量范圍為兩相成泡狀流的情況，模擬時(shí)，具有顆粒行為模擬能力的模型有兩種：群平衡方程（PopulationBalanceModel,PBM）和離散相模型（DiscretePhaseModel,DPM）。 3.1 群平衡方程（PopulationBalanceModel,PBM）     由于氣泡行為的重要性，其分布又會(huì)隨著傳遞和化學(xué)反應(yīng)不斷演變，是不同現(xiàn)象如核聚、生長(zhǎng)、分散、溶解、凝聚和破碎等過(guò)程的聯(lián)合。因此，在涉及氣泡分布的多相流中，就需要平衡方程來(lái)描述粒群變化，及其動(dòng)量、質(zhì)量和能量守恒。可以利用群平衡模型的例

13、子包括結(jié)晶、從氣相或液相沉降、泡罩塔、氣體噴射、噴霧、流化床聚合、制粒、液液乳化與分離、氣霧流等。商業(yè)化的軟件包Fluent里已經(jīng)嵌入氣泡聚裂模型，且給出了不同的群平衡方程解法，如離散化群平衡法、標(biāo)準(zhǔn)矩法和二階矩法。這給諸多對(duì)計(jì)算機(jī)編程能力比較弱的工程技術(shù)人員提供了很大幫助和方便，節(jié)省了大量的精力。具體的方程此處不再贅述，可參見AnsysFluenthelp內(nèi)容。 3.2 離散相模型     離散相模型是用拉格朗日計(jì)算方法模擬離子、液滴、氣泡的軌跡，如計(jì)算散布相的加熱或冷卻、流體液滴的汽化和蒸發(fā)、噴霧模型中液滴的分裂和融合等等。具體方程及模型可

14、參見AnsysFluenthelp內(nèi)容。 3.3 模型選擇     對(duì)于簡(jiǎn)單的氣液兩相模型，當(dāng)不考慮氣體在液體中的分散狀態(tài)時(shí)，可以將兩相均視為連續(xù)相，當(dāng)要細(xì)化其中一相的具體分布情況時(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)，群平衡方程PBM和離散相模型就需要被嵌入到基本的N-S方程中。PBM方程主要的作用是能夠計(jì)算顆粒之間的作用，顆粒的聚并和分裂，在大宗流體內(nèi)顆粒較多的時(shí)候可選用該方程。DPM模型主要用于計(jì)算分散相體積<12%,粒子之間的相互作用可以忽略的場(chǎng)合。本文的研究過(guò)程是液相噴射卷吸氣相，在一定的流量范圍內(nèi)形成泡狀流，在噴射器的受限空間內(nèi)大量產(chǎn)生，氣泡較多，因此

15、可選擇PBM模型。為了計(jì)算簡(jiǎn)化，節(jié)省計(jì)算成本，在模擬過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)和過(guò)程進(jìn)行了適度簡(jiǎn)化。 4 結(jié)果與討論 4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1     作者在之前的一系列論文中通過(guò)PIV/PLIF實(shí)驗(yàn)的方法，測(cè)量了不同氣液流量、流速對(duì)氣液兩相流流型的影響。文獻(xiàn)3給出了噴嘴上無(wú)旋流器時(shí)噴射器內(nèi)氣液兩相的各種流型。其中氣相流量在0.10.4m3/h，液相流量在0.20.8m3/h。當(dāng)液相不變時(shí)，取L=0.6m3/h，氣相流量在0.10.4m3/h之間變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。     當(dāng)液相流量不變，進(jìn)入噴射器的動(dòng)能即不

16、變，而氣相流量增大時(shí)，相同的液相需要與更多的氣相傳動(dòng)，導(dǎo)致了氣液兩相間能量分配不同，圖3即表明了氣量增大時(shí)，氣體在液體內(nèi)的分散程度首先增大，氣泡增多，但隨著氣體更大，受限的噴射器空間和液相能量不能將氣體完全分散成獨(dú)立氣泡的幾率開始增大，有逐漸向其他流型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。分頁(yè)4.2 模擬結(jié)果1     采用ANSYS公司Fluent軟件中的多相流模型（歐拉模型）和群平衡方程（PBM），首先對(duì)圖2中氣相流量為0.1m3/h，液相流量為0.6m3/h的情況進(jìn)行了模擬。為了減小模擬的計(jì)算難度，采用了二維的幾何模型。     混合

17、段入口處采用了速度進(jìn)口，擴(kuò)散段出口處采用了壓力出口。PBM模型嵌入Fluent后，采用了Discrete求解方法，氣泡尺寸分為6組，根據(jù)最小氣泡組的尺寸和合適的幾何指數(shù)，由Fluent自動(dòng)計(jì)算出其他幾組的氣泡尺寸大小。同時(shí)采用多相流模型，在第二相氣相中，選擇SauterDiameter作為計(jì)算相間相互作用的粒徑大小。     圖3中氣泡尺寸由大到小的分組依次是Bin0(3.7mm)、Bin1(3.2mm)、Bin2(2.3mm)、Bin3(1.8mm)、Bin4(1.3mm)、Bin5(0.55mm)。初始場(chǎng)給定各氣泡組的體積分率分別為1%、6%、3%、

18、17%、46%、25%。經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算后，以噴嘴處沿噴射器軸線的距離（mm）為橫坐標(biāo)，各組氣泡的體積分率為縱坐標(biāo)，繪制各組氣泡尺寸變化趨勢(shì)圖（圖3）。從圖中可以看到在此流量條件下，各組氣泡沿著流體流動(dòng)方向不斷被合并，形成較大的氣泡，大氣泡（Bin0）的體積分率從一開始的1%，一直到噴射器出口的100%。而其他組的氣泡（Bin15）在最初的體積分率假設(shè)值下，在經(jīng)過(guò)流體之間互相作用后體積分率都逐漸減小。根據(jù)各組經(jīng)過(guò)達(dá)到其最大體積分率所對(duì)應(yīng)的軸線距離逐漸增大，可以得出，當(dāng)假設(shè)各組氣泡從噴嘴處進(jìn)入噴射器時(shí)，氣泡沿流動(dòng)方向逐漸被合并成較大氣泡。最小的氣泡先進(jìn)行合并，然后形成的較大的氣泡之間再合并成更大的氣

19、泡，在此過(guò)程中氣泡合并作用遠(yuǎn)大于分裂作用。另外，從圖3中還可以看到在噴射器的大部分區(qū)域，盡管主導(dǎo)氣泡尺寸在變化，但各組氣泡的最大體積分率相差不大，都在2540%之間。這也說(shuō)明氣泡在噴射器內(nèi)的分布相對(duì)比較均勻。     雖然圖3的趨勢(shì)顯示了圖2中實(shí)驗(yàn)拍照區(qū)域內(nèi)氣泡的變化，但是由于結(jié)構(gòu)和模型的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致最后大氣泡的單一化，而且實(shí)驗(yàn)和模擬都無(wú)法給出噴嘴處氣體被液體破碎的過(guò)程，因此模型還需要進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。     當(dāng)液相流量不變時(shí)，根據(jù)SauterDiameter的計(jì)算公式，計(jì)算了不同氣相流量下（0.10.4m3/h）下的沙得直徑，見圖4。     圖4中模擬值要高于實(shí)驗(yàn)值，但是隨著氣相流量的增大，氣泡的平均直徑（沙得直徑）變化趨勢(shì)基本一致。 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2     當(dāng)氣相流量不變時(shí)，一組實(shí)驗(yàn)圖片見圖5。     從圖6模擬數(shù)據(jù)和實(shí)