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1、fluent 报 告 人:许伟伟 报告时间:2009-10-19,2,气相数值模拟,3,一、湍流现象二、湍流的数值模拟方法三、湍流模型具体介绍四、不同湍流模型在旋风分离器模拟中的应用,主 要 内 容,4,涉及湍流模型选取,CFD求解流程,5,如右图所示，当入口速度V=20m/s时，旋风分离器入口 Re=164，300,1.湍流现象（Turbulent）,湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间和空间发生随机的变化。,L=x,D,Dh,etc.,6,1.湍流现象（Turbulent）,大尺度的涡旋,小尺度的涡旋,从物理结构上说，湍流由各
2、种不同尺度的涡旋叠合而成。,从主流获得能量，是引起低频脉动的原因。,由于流体粘性的作用，不断消失，从而产生能量耗散；是引起高频脉动的原因。,7,2.湍流的数值模拟方法,控制方程,直接模拟（direct numerical simulation，DNS）大涡模拟（large eddy simulation，LES）大尺度涡：直接求解非稳态的Navier-stokes方程小尺度涡：采用近似模型（亚格子模型）考虑小涡对大涡的影响 基于Reynolds时均方程的统观模拟（Reynolds association numerical simulation，RANS）,数值模拟方法,8,DNS和LES能直
3、接得到气体的瞬态流场，但需要很大的计算机容量和CPU时间，未能广泛应用于工程应用。RANS将非稳态控制方程对时间作平均，即,基于Reynolds时均方程的统观模拟（RANS）,因此，只能得到流场的时均值。要想得到瞬时值，它还必须和另一些求脉动速度的方法相结合。在实际工程应用中，人们更关心流动的时均值，而忽略湍流的细节。因此，目前工程湍流计算还是依赖于RANS。,脉动值,时均值,9,忽略流体相密度脉动，可得如下的时均方程组：,（2）为Reynolds时均方程，其中Reynolds应力 未知，使方程不封闭。为了使方程组封闭，人们建立了各种湍流模型来求解Reynolds应力。,基于Reynolds时
4、均方程的统观模拟（RANS）,湍流模型:就是把湍流的脉动值附加项与时均值联系起来的一些特定关系式。,10,基于不同的假设，湍流模型分为,紊流粘性模型 雷诺应力模型 代数应力模型,3.湍流模型具体介绍,1.紊流粘性模型（Eddy-Viscosity Models，EVM）引入Boussinesq涡粘性假设，认为雷诺应力与平均速度梯度成正比，即将Reynolds应力项表示为,湍流粘性系数,11,根据确定紊流粘性系数 的微分方程数目，又分为,零方程模型和单方程模型适用于简单的流动；对于复杂流动，系数很难给定，无通用性，故应用较少。,一方程模型,常系数模型 二维Prandtl混合长度理论,零方程模型一
5、方程模型两方程模型,零方程模型,12,两方程模型,由求解湍流特征参数的微分方程来确定湍流粘性。包括k-、k-、k-、k-l 模型等。其中，应用最普遍的是 k-模型。湍流粘性系数 表达式为：,13,1 胡砾元，时铭显，周力行，等旋风分离器三维强旋湍流流动的数值模拟J.清华大学学报：自然科学版，2004，44（11）：1501-1504.,2 王海刚，刘石不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较J热能动力工程，2003,18(4)：337-343.,3 Hoekstra A J,Derksen J J,Van Den Akker H E A.An experimental and num
6、erical study of turbulent swirling in gas cyclones.Chemical Engineering Science，,14,针对不足，许多学者对标准的模型进行了修正。应用较多的有 重整化群k-模型（renormalization group，RNG model）可实现k-模型（realizable k-model）多尺度k-模型（multiscale model of turbulence）,标准k-模型只适用于高Reynolds数的湍流流动，不能用于近壁区，在求解各项异性的流动时遇到较大的困难，如强旋流、浮力流、曲壁边界层流及圆射流等。,以上介绍的
7、模型都是基于Boussinesq假设，认为湍流粘性系数各向同性，难于考虑旋转流动及流动方向表面曲率变化的影响，不适用于复杂流动。,15,2.雷诺应力模型（Reynolds Stress Model，RSM）,由各项异性的前提出发，完全抛弃了Boussinesq表达式及 的概念，直接建立以雷诺应力为因变量的微分方程，然后作适当假设使之封闭。这种模型也称为二阶封闭模型。,应用RSM模型进行计算时，需求解雷诺应力方程。雷诺应力方程的精确形式如下：,16,3.代数应力模型（Algebraic Stress Model，ASM）,RSM模型摒弃了湍流各向同性假设，因此其计算结果比基于“有效粘度”的两方程
8、模型更为准确。但由于该模型相对复杂、方程多、需确定的常数多，故计算量大。,主要思想是设法将应力的微分方程简化为代数表达式，以减少RSM模型过分复杂的弱点，同时保留湍流各项异性的基本特点。,与RSM模型相比，该模型大大削减了方程数目，对初始条件和边界条件的要求也不像RSM模型那么严格。但是在模拟旋流数很高的强旋流动中，由于该模型忽略了应力对流的作用，因而会引起显著的误差。,17,湍流模型比较,18,Fluent中的湍流模型,Zero-Equation ModelsOne-Equation Models Spalart-AllmarasTwo-Equation Models Standard k-
9、e RNG k-e Realizable k-e Standard k-w SST k-wReynolds-Stress ModelDetached Eddy SimulationLarge-Eddy SimulationDirect Numerical Simulation,Increase inComputational Cost Per Iteration,Availablein FLUENT 6.2,RANS-basedmodels,19,Fluent中湍流模型面板,Define Models Viscous.,湍流选项,近壁处理,无粘，层流或湍流,其余的湍流选项,模型参数,20,4.
10、不同湍流模型在旋风分离器模拟中的应用,RSM的模拟结果更接近真实情况。,AJHoekstra,21,k-模型给出的解与试验值差别较大,22,下图为RSM和LES计算的旋风分离器内一点的瞬时切向速度随时间的变化曲线（摘自：清华刘成文的博士论文旋风分离器的能耗与减阻杆机理研究，2006.11）：,RSM和LES计算结果比较,RSM计算得到的速度脉动基本呈单一尺度,LES计算出的速度脉动呈现多尺度，显示出了流场的非定常特性,23,RSM和LES计算结果比较,由上图可知，LES比RSM预测出了更多了旋涡结构，特别是外旋流区旋涡结构非常丰富。,24,从文献报道来看，LES大涡模型模拟的结果更可靠，更相信
11、。但RSM目前是工程应用中比较有效的湍流模型。,25,边界条件中湍流参数的设置问题,【1】邹宽，杨荣等.水力旋流器湍流流动的数值模拟.工程热物理学报，2004,充分发展的湍流,常用,【1】,【2】,26,(a)切向速度(b)轴向速度(c)径向速度(d)静压力图 旋风分离器内气相流场各参数分布图,27,气固两相数值模拟,28,气固两相流计算方法,29,Euler-Lagrange方法,1.离散相轨道模型（DPM）,解决的问题 煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等稀相颗粒流模拟；应用范围 Fluent中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%；不适用于模拟在连续相中无限期
12、悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等；,30,2.颗粒之间碰撞模型,对于浓度非常低的气固两相流动，颗粒间的碰撞可以忽略不计。当颗粒浓度较高时，颗粒之间的碰撞会对流动过程产生影响，为考虑颗粒之间的碰撞问题，因此发展了此模型。颗粒之间碰撞模型可分为 硬球模型 软球模型,硬球模型把颗粒之间的碰撞看成是瞬时的、二元的弹性碰撞，直接用冲量定理完成碰撞过程。该方法完全适应稀薄气固两相的情况，并且不受颗粒粒径的限制。主要问题是一次只能计算一对颗粒之间的碰撞，代表的方法有蒙特卡洛方法（DSMC）【1】,（1）硬球模型,【1】马明，用直接数值模拟的蒙特卡洛方法对循环流化床内固体混合与分离的研究.东南大学硕士
13、学位论文，P12-13,31,在该类方法中，颗粒不被看成是完全刚性的，颗粒间的接触有一定的有限接触时间，而且允许一个颗粒和多个颗粒同时接触。在该类方法中，最引人注目的是离散单元法（distinct element method,DEM）。该法在流固密相流（特别是循环流化床）中得到应用，显示出了优良的预测能力。DEM的计算是交替采用牛顿第二定律和接触的力-位移方程来完成的。牛顿第二定律给出由于所有施加在颗粒上的力而引起的颗粒运动。力-位移方程则用来计算力与位移的关系。,（2）软球模型,32,1.混合模型（包括滑移模型）,2.VOF模型,3.双流体模型,Euler-Euler 方法,连续介质模型适
14、用于有足够颗粒浓度，即密相两相流的情况，Fluent中包含以下三种模型：,混和物模型求解的是混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相。混合物模型的应用包括低负载的粒子负载流，气泡流，沉降，以及旋风分离器。混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。,在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时，可以采用这种模型。如模拟分层流，自由面流动，灌注，晃动，液体中大气泡的流动,33,曳力（Drag）,颗粒的脉动行为,气相的脉动行为,欧拉方法暨“双流体”模型,34,颗粒动力学理论模型,欧拉方法暨“双流体”模型,【参考文献】祁海鹰，稠密气固两相流动欧拉数值模拟的
15、理论与实践.Fluent第一届中国用户大会，,35,欧拉方法暨“双流体”模型,颗粒动力学双流体模型是目前描述气固密相两相流最常用的模型。但对于处理诸如颗粒粒径分布较广同时尺寸大小又不断变化的两相流流动情况，为得到合理的计算结果，必须针对不同的尺寸组颗粒建立不同的守恒方程。这样控制方程组的数目将大大增加，使得解的过程大为复杂化。,【参考文献】1 张政，流体-固体两相流的数值模拟，化工学报，2001,36,随机轨道模型的基本假设是：（1）流体相被看作为连续介质而颗粒相被看作为与流体有滑 移的、沿自身轨道运动的分散群；（2）认为颗粒群没有自身的湍流粘性、湍流扩散和湍流传热；（3）颗粒群不是按当地尺寸
16、分组，而是按初始尺寸分组。,37,固体颗粒在旋风分离器中运动时所受外力包括：流体曳力（粘性阻力）、重力、浮力、压力梯度力、虚假质量力、Basset力、Magnus力、Saffman力、热泳力等。在本文的气固两相流动中，由于颗粒粒径很小、浓度很稀，颗粒所受的流体曳力和重力是最主要的，其他力均很小，可以忽略不计。,38,（1）入口边界条件计算颗粒轨迹时，将入口截面的确定点设置为点源，即在入口截面上的某一特定位置处设定颗粒的入射坐标（X，Y，Z），颗粒速度等于该点气体的速度，同时给定所计算颗粒的粒径和颗粒的随机轨道数。计算旋风分离器的分离效率时，将颗粒入口处的射流源设置为面源，即颗粒的入射位置在旋风
17、分离器入口截面上，颗粒由每一个网格中心射入，颗粒的入口速度与气体的入口速度相同，同时给定所计算的粒径、入口处颗粒的浓度和颗粒的随机轨道数。,39,（2）出口边界条件将排气管出口设为颗粒完全逃逸，排料口设为捕捉边界条件，在排料口和排气管出口处终止颗粒的轨道计算。,40,（3）壁面边界条件当颗粒运动到壁面时，会发生碰撞并反弹，产生动量变化。变化量由碰撞恢复系数确定，如下图所示。,图 颗粒碰撞反弹Fig.Collision and reflection of the solid particle,法向恢复系数可表示为：,41,在旋风分离器气固两相流模拟中，碰撞恢复系数选取不同，得到的结果相差很大。如
18、果将壁面设为完全捕集，则会高估分离效率。但如果认为颗粒与壁面的碰撞为完全弹性的，即碰撞恢复系数为1，则会造成颗粒与壁面的反复碰撞，使计算工作量增加，并低估分离效率。在本文模拟中，根据旋风分离器壁面轴向位置的不同，分别设定不同的碰撞恢复系数。在环形空间，由于气流的冲刷作用，颗粒难以沉积，取碰撞恢复系数0.95；分离空间的筒体段和锥体段分别设为0.85和0.6；在灰斗内，筒体段和锥体段分别设为0.3和0.1；料腿底部，取e=0。采用325目滑石粉进行效率计算，得到了与实验较为一致的结果，,42,粒径分布如表所示,一般工业粉尘的粒径分布满足Rossin-Rammler分布，即颗粒的粒径,平均粒径，n分布指数，这是需要确定的两个常数。将表中的数据按Rossin-Rammler分布回归后得到：,43,44,欢迎提出宝贵意见！谢谢！,
