【技術(shù)】FLUENT模擬氣泡的破碎與凝聚【轉(zhuǎn)發(fā)】

FLUENT的附加模型population balance model可以用于計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過程中的破碎及凝聚現(xiàn)象。

1、模型描述

計算域幾何如圖1所示。采用如圖所示的圓柱形容器。氣泡從底部inlet入口進入,從outlet出口流出。幾何尺寸如圖所示。由于本例的軸對稱特征,因此采用軸對稱模型。注意:FLUENT的2D軸對稱模型要求對稱軸為x軸。計算域模型如圖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 計算域模型

2、導(dǎo)入網(wǎng)格

啟動Fluent,讀入上一步生成的msh文件。Scale計算域,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中的population balance模型,選擇discrete,進入圖6所示對話框,進行如圖所示設(shè)置。

圖6 PBM設(shè)置

具體含義可以參考fluent PBM手冊,這里簡要的說明一下。

Kv為增長因子,geometric ratio為幾何對數(shù)方法,與后面的ratio exponent相對應(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計算出來的。

勾選aggregation kernel及breakage kernel,選擇aggregation kernel方法為luo-model,這時會彈出表面張力系數(shù)設(shè)置,輸入0.07。

Frequency選擇luo-model方法,同樣設(shè)置表面張力系數(shù)0.07

OK,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會自動修改此項。

相間作用可以不用設(shè)置。

5、設(shè)置計算域

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)Velocity 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)簽頁下的速度為0.02m/s。進入multiphase標(biāo)簽頁,進行如圖9所示設(shè)置。

圖9 入口設(shè)置

設(shè)置volume fraction為1,表示進入的全部為air。

設(shè)置bin-3-fraction為1,其他全部為0。表示進入的氣泡粒徑為bin-3。

(2)設(shè)置pressure outlet邊界

Mixture相:如圖10進行設(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,如圖11所示。設(shè)置backflow volume fraction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,利用Monitor檢測指定粒徑的氣泡含量,如圖12所示。

圖12 監(jiān)測

本例檢測點(1.5,0)位置的bin0,bin3,bin5體積分?jǐn)?shù)。

用戶可以自己定義監(jiān)測位置及檢測變量。

8、初始化

設(shè)置湍動能0.1,湍流耗散率0.25,air bin-3-fraction為1,點擊initialize進行初始化。

同時還需要patch區(qū)域。

進入菜單【adapt】>【Region…】,如圖13所示對話框進行設(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

點擊patch按鈕,進入如圖14所示對話框。

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、求解計算

設(shè)置time step size為0.01s,設(shè)置number of time steps為5000,同時設(shè)置max iterations/Time step為100,如圖16所示。

圖16 求解計算

10、計算后處理

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 粒徑分布云圖

也可以查看整個計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