對于多相流部分，主要從多相流的基本知識(shí)、模型的選擇、典型案例問題的處理等方面進(jìn)行介紹。

多相流的概述

相，就是物質(zhì)所處的狀態(tài)，氣液固三種，多相流意思就是存在兩種或者兩種以上的相。主要有氣液、氣固、三相流動(dòng)等。在多相流中，主要涉及“主相”和“次相”。

主相：通常認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)，在流動(dòng)中占主要部分

次相：通常認(rèn)為是分散在主相中的相，可以有多種不同尺寸的顆粒次相

根據(jù)多相流動(dòng)特征，可以將其分為以下幾種流態(tài)。

(1)氣泡流。連續(xù)介質(zhì)中存在離散氣泡，如減振器、蒸發(fā)器、噴射裝置等。

(2)液滴流。連續(xù)介質(zhì)中存在離散液滴，如噴霧器、燃燒室等。

(3)彈性流。液相中存在大的氣泡，如段塞流。

(4)分層/自由表面流。被清晰界面分開的互不相混的液體，如自由表面流。

(5)粒子流。連續(xù)介質(zhì)中存在固體顆粒，如旋風(fēng)分離器、吸塵器等。

(6)流化床。如沸騰床反應(yīng)堆。

(7)泥漿流。流體中含有顆粒、固體懸浮物、沉淀、水力輸運(yùn)等。

多相流模型

Volume of Fluid模型(VOF模型)

VOF模型主要用于跟蹤兩種或多種不相容流體的界面位置。VOF模型主要應(yīng)用于分層流、自由液面流動(dòng)、晃動(dòng)、液體中存在大氣泡的流動(dòng)、潰壩等現(xiàn)象的仿真計(jì)算，其可以計(jì)算流動(dòng)過程中分界面的時(shí)空分布。

Mixture模型（混合物模型）

混合物模型可用于兩相或多相流計(jì)算。由于在歐拉模型中，各相被處理為互相貫通的連續(xù)體，混合物模型求解的是混合物的動(dòng)力方程，并通過相對速度來描述離散相。混合物模型的應(yīng)用領(lǐng)域包括低負(fù)載的粒子負(fù)載流、氣泡流、沉降、旋風(fēng)分離器等?；旌衔锬Ｐ鸵部梢杂糜跊]有離散相相對速度的均勻多相流混合物模型是一種簡化的歐拉模型，其簡化的基礎(chǔ)是假設(shè)Soks數(shù)非常?。Ｗ优c主相的速度大小方向基本相同）。

Eulerian模型（歐拉模型）

歐拉模型是fluent中最為復(fù)雜的多相流模型，建立了一套包含有n個(gè)動(dòng)量方程及連續(xù)方程的模型來求解每一相。壓力項(xiàng)和各界面交換系數(shù)是耦合在一起的。耦合方式則依賴于所含相的情況。顆粒流與非顆粒流的處理方式是不同的。歐拉模型應(yīng)用領(lǐng)域包括氣泡柱、上浮、顆粒懸浮和流化床等。

模型選擇

1.一般選取規(guī)則

對于多相流模型，通?？梢圆捎靡韵乱恍┣闆r進(jìn)行選擇。

(1)對于氣泡流、液滴流、存在相混合及分散相體積分?jǐn)?shù)超過10%的粒子負(fù)載流，使用混合物模型或歐拉模型。

(2)對于彈狀流、活塞流，使用VOF模型。

(3)對于分層流、自由表面流，使用VOF模型。

(4)對于氣力輸運(yùn)，均勻流使用混合模型，顆粒流使用歐拉模型。

(5)對于流化床，使用歐拉模型。

(6)對于泥漿流及水力輸運(yùn)，使用混合模型或歐拉模型。

(7)對于沉降模擬，使用歐拉模型。

通常來說，VOF模型適合計(jì)算分層或自由表面流動(dòng)，混合物模型及歐拉模型適合于計(jì)算域內(nèi)存在相混合或分離且分散相體積分?jǐn)?shù)超過10%的情況（分散相體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)適合于使用離散相模型進(jìn)行計(jì)算)。

注：這里需要說明的是：分散相體積分?jǐn)?shù)指的是在多相流動(dòng)中，分散相（小液滴、氣泡等）占據(jù)整個(gè)多相流體體積的比例，因此，當(dāng)分散相體積分?jǐn)?shù)超過10%時(shí)，說明分散相在整個(gè)多相流體中占據(jù)的體積相對較大，此時(shí)混合物模型及歐拉模型比VOF模型更適合用于模擬計(jì)算，因?yàn)閂OF模型通常適用于液體分層或自由表面流動(dòng)情況，分散相體積分?jǐn)?shù)較小的情況。當(dāng)分散相體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，液相或氣相可以被視為連續(xù)相，而分散相可以被視為離散的物質(zhì)點(diǎn)。這種情況下，可以使用離散相模型進(jìn)行計(jì)算，離散相模型將分散相看作離散的、不連續(xù)的顆粒，通過跟蹤這些顆粒的位置和速度來描述多相流動(dòng)。離散相模型主要適用于顆粒濃度較低的情況，也就是分散相體積分?jǐn)?shù)較低的情況。當(dāng)顆粒濃度增加時(shí)，離散相模型的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)增加，同時(shí)計(jì)算的誤差也會(huì)增大，因此在顆粒濃度較高時(shí)，需要使用其他模型進(jìn)行計(jì)算，例如歐拉模型或混合物模型。

一般選擇

對于混合物模型及歐拉模型的選取，可以采取以下規(guī)則。

(1)當(dāng)分散相分布很廣時(shí)，選擇使用混合物模型。若分散性只是集中于區(qū)域的某一部分，則選擇使用歐拉模型。

(2)若相間曳力規(guī)則可利用，使用歐拉模型可以獲得更及精確的計(jì)算結(jié)果。否則選擇混合物模型。

(3)混合物模型比歐拉模型計(jì)算量更小，且穩(wěn)定性好，但是精度不如歐拉模型。

量化選擇

粒子負(fù)載

定義為離散相與連續(xù)相的慣性力的比值

利用粒子負(fù)載，相間相互作用可以分為以下幾類。

①非常低的粒子負(fù)載，此時(shí)相間作用為單向（也就是說，連續(xù)相通過曳力及湍流影響例子，但是粒子不會(huì)影響到連續(xù)相流動(dòng))。離散相模型、混合物模型及歐拉模型均可解決此類問題。由于歐拉模型計(jì)算開銷較大，因此此類問題建議使用離散相模型及混合物模型。

②對于中等粒子負(fù)載，相間作用為雙向（粒子與連續(xù)相間相互影響）。離散相、混合模型及歐拉模型均可應(yīng)用于此類問題，但是在如何選擇最合適的模型上，需要配合其他參數(shù)（如Stokes數(shù))進(jìn)行綜合判斷。

③對于高粒子負(fù)載情況下，相間存在雙向耦合、粒子壓力及黏性壓力，只有歐拉模型可以解決此類問題。

Stokes數(shù)

對于中等強(qiáng)度的例子負(fù)載，估計(jì)Stokes數(shù)有助于選擇最合適的模型。Stokes數(shù)為粒子間響應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的比值：

對于St<1的情況下，任意三種模型(離散相、混合模型、歐拉模型)均可使用，此時(shí)可以選擇最廉價(jià)的模型（大多數(shù)情況下為混合模型）或者根據(jù)其他因素選取最合適的模型。

對于St>1情況下，粒子運(yùn)動(dòng)獨(dú)立于連續(xù)相流場，此時(shí)可選用離散相模型或歐拉模型。

對于St≈1情況下，三種模型同樣有效，用戶可以選擇最廉價(jià)或根據(jù)其他因素選擇最合適的模型。

模擬步驟

1、激活湍流模型

激活Multiphase。離散相模型不在此面板中設(shè)置

2、設(shè)置材料

需要注意的是，若模型中包含有顆粒相，則定義材料時(shí)需要從流體類材料中選擇，而不是從固體類材料中選擇。

3、設(shè)置Phase

指定主相及次相，同時(shí)還需要指定相間相互作用。如在VOF模型中指定表面張力，在混合模型中指定滑移速度函數(shù)，在歐拉模型中指定曳力函數(shù)。

滑移速度函數(shù)：滑移速度函數(shù)是指在多孔介質(zhì)中流體的滑移速度與固體相對運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系。在多孔介質(zhì)中，流體分子因?yàn)榕c固體表面的相互作用而產(chǎn)生速度滑移，即相對于固體表面，流體分子的速度發(fā)生變化。為了描述多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，需要將流體速度和固體相對運(yùn)動(dòng)速度聯(lián)系起來，這時(shí)就需要用到滑移速度函數(shù)。滑移速度函數(shù)通常是通過實(shí)驗(yàn)或理論模型來確定的，它可以被看作是一種流體的特性參數(shù)，用于描述流體在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在多孔介質(zhì)的模擬計(jì)算中，滑移速度函數(shù)通常作為一個(gè)輸入?yún)?shù)，用于確定多孔介質(zhì)中流體速度的分布。

曳力函數(shù)：曳力函數(shù)指的是在流體力學(xué)中，固體顆粒在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力與顆粒速度之間的關(guān)系。曳力函數(shù)通常用來描述流體中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是在多相流動(dòng)中，顆粒與流體的相互作用是影響流動(dòng)行為的關(guān)鍵因素之一。曳力函數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算模型來確定的，它通常被表示為速度的某個(gè)冪次方。在一般情況下，曳力函數(shù)會(huì)隨著顆粒速度的增加而增大，但是其增加速率會(huì)逐漸減緩，最終趨于一個(gè)定值。

4、設(shè)置操作條件

5、邊界條件設(shè)置

6、其他設(shè)置

具體對各個(gè)模型的設(shè)置可在軟件中自行學(xué)習(xí)，這里不再介紹。

典型案例

對于該部分，列出對應(yīng)的條件，具體操作見視頻

空化現(xiàn)象仿真計(jì)算（Mixture模型）

參考案例：【Fluent案例—Mixture模型—空化現(xiàn)象仿真】

在流動(dòng)情況下，當(dāng)區(qū)域壓力低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)，在該區(qū)域即會(huì)發(fā)生空化。如圖所示為最常見的風(fēng)琴管空化發(fā)生裝置。流體在流經(jīng)該模型過程中，在孔徑變化劇烈位置形成局部低壓，容易形成空化，如圖中vapor所在區(qū)域。

進(jìn)出口邊界條件為：入口邊界壓力：P=250MPa:出口邊界壓力P=295000Pa:水的飽和蒸汽壓P=3540Pa。計(jì)算過程中涉及兩種材料類型：液態(tài)水及其汽化后的水蒸氣。其所涉及的材料物理性質(zhì)見表。

潰壩模擬（VOF模型）

參考案例：【fluent潰壩模擬】

采用2D平面計(jì)算模型，域長6m,寬5m,水位高4m,寬1.5m,計(jì)算水在重力作用下的流動(dòng)情況。重力沿Y軸方向-9.81m/s2。材料介質(zhì)采用FLUENT材料數(shù)據(jù)庫中的空氣(Air)與液態(tài)水（water-liquid)。計(jì)算域只有一個(gè)壓力出口，出口位置壓力為大氣壓(相對壓力為0)，其他邊界為光滑無滑移壁面。空氣為主相，水為第二相。

鼓泡塔仿真計(jì)算（Eulerian模型）

參考案例：鼓泡塔仿真

鼓泡塔是一種常見的化工設(shè)備。其試驗(yàn)裝置如圖16-74和圖16-75所示。在一個(gè)直徑0.5m的圓柱形玻璃管底部開有一個(gè)直徑4cm的孔，玻璃管中注滿水，空氣從底部小孔注人。氣泡直徑約為3mm,以速度6.6e-4m/s注入玻璃管中。3D幾何模型如圖所示。

考慮模型的軸對稱性，采用2D平面模型進(jìn)行仿真計(jì)算，模型尺寸如圖所示。其中底部0.04m線段位置為氣泡入口。建立矩形面如上，設(shè)置網(wǎng)格尺寸0.005m,共生成網(wǎng)格29700個(gè)。

先介紹到這里，后期學(xué)習(xí)再填補(bǔ)。