多相流模型选择方法

多相流模型方法

目前，多相流主要有两种方法：欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。

在欧拉-欧拉方法中，不同的流体相在数学上被视为可以相互贯穿的连续介质。由于一个相的容积不能被其他相占据，因此引入相体积分数的概念，假定这些体积分数是空间和时间的连续函数，并且它们的和等于1，推导出每一相的守恒方程，得到一组对所有相具有相似结构的方程，这些方程通过提供根据经验信息获得的本构关系来闭合。FLUENT提供了三种不同的欧拉-欧拉多相模型：VOF模型、Mixture模型和欧拉模型。

1、VOF模型

VOF模型是一种应用于固定欧拉 格的界面跟踪技术。该模型是为两种或两种以上不相溶的流体设计的，其中流体之间的界面位置非常重要。在VOF模型中，流体共享一组动量方程，并且在整个计算区域中跟踪每个计算单元内每种流体的体积分数。VOF模型的应用包括分层流动、自由表面流动、充填、晃动、液体中大气泡的运动、溃坝后液体的运动、射流破碎的预测，以及任何液气界面的稳定或瞬态跟踪。

2、Mixture模型

Mixture模型是为两个或多个相(流体或颗粒)设计的。与欧拉模型一样，Mixture模型中的各相也被视为互相穿透的连续介质。混合模型求解混合动量方程，并指定描述各分散相的相对速度。混合模型的应用包括低负荷颗粒流、泡状流、沉淀流和旋风分离器，也可以在没有分散相相对速度的情况下模拟均相多相流。

3、Eulerian模型

欧拉模型是FLUENT中最复杂的多相流模型。它为每一相求解一组动量方程和连续性方程。通过压力和相间交换系数实现相耦合，这种耦合的处理方式取决于所涉及的相的类型；颗粒(流体-固体)流的处理方式与非颗粒(流体-流体)流的处理方式不同。对于颗粒流，应用动力学理论获取颗粒流的特性。两相之间的动量交换也取决于所模拟的混合物的类型。欧拉多相模型的应用包括鼓泡塔、提升管、颗粒悬浮和流化床。

模型比较

通常情况下，一旦确定了多相系统的流型，就可以根据流型选择合适的模型。

• 对于混合和/或分散相体积分数超过10%的气泡、液滴和颗粒流，使用混合模型或欧拉模型
• 段塞流，使用VOF模型
• 分层/自由表面流，使用VOF模型
• 气力输运。均相流动使用Mixture模型，颗粒流动使用欧拉模型
• 流化床。使用Eulerian模型
• 泥浆流与水力输运。使用Mixture或Eulerian模型
• 沉降。使用Eulerian模型

VOF模型适用于分层或自由表面流动，而Mixture和Eulerian模型适用于分散相体积分数超过10%的流动。(其中分散相体积分数小于或等于10%可以使用离散相模型）。

VOF模型与其他模型具有鲜明的区别，而Mixture模型与Eulerian模型则不容易区分。在选择Mixture或Eulerian模型时，可以参考以下原则：

• 当分散相分布较广(颗粒粒径具有较大差异，且最大的颗粒不与主流场分离)，此时可以选择Mixture模型（计算成本较低）。若分散相仅集中在计算区域的局部，此时应使用Eulerian模型。
• 如果相间阻力定律明确(Fluent内置或通过用UDF自定义)，则使用Eulerian模型通常可以提供比Mixture模型更精确的结果。如果相间阻力定律未知或其对系统的适用性有问题，则Mixture模型可能是更好的选择。对于大多数球形颗粒，使用Schiller-Naumann定律是足够的。对于非球形粒子的情况，可以使用UDF进行定义。
• 如果要解决需要较少计算工作量的较简单问题，混合模型可能是更好的选择，因为它比欧拉模型求解的方程式数量更少。如果精度比计算工作量更重要，欧拉模型是更好的选择。然而，欧拉模型的复杂性会使其在计算上不如混合模型稳定。

更详细的选择方法

对于分层流和段塞流，很容易选择使用VOF模型，然而为其他类型的多相流动选择合适的模型就不那么简单了。有一些参数可以帮助确定适用于这些其他流动的多相模型：这些参数包括颗粒负载、斯托克斯数。

1、颗粒负载

颗粒负荷对相间相互作用有重要影响。颗粒负荷定义为分散相(d)与载体相(c)的质量密度比：

介质密度比：