1 引子
1.1 案例描述
1.2 學習目標
1.3 模擬內容
2 啟動FLUENT并導入網格
3 材料設置
4 Cell Zones Conditions
5 Calculate
6 定義Injecions
7 定義DPM材料
8 顆粒追蹤
9 設置粒子分布直徑
10 粒子追蹤
11 統計出口面上粒徑分布
12 修改壁面邊界以捕捉顆粒
13 顆粒追蹤
14 考慮湍流效應
15 考慮沖蝕
16 后處理查看壁面沖蝕云圖
17 導出數據到CFD-POST
18 CFD-POST操作

1 引子

1.1 案例描述

本案例描述了如何在FLUENT中使用DPM模型,模擬顆粒進入T型管后的運動軌跡。本案例使用的T型管模型通過 閱讀原文 下載。

1.2 學習目標

本案例學習目標包括:

• 定義顆粒材料

• 向計算域中注入顆粒

• 使用常數或分布函數定義顆粒粒徑

• 包含顆粒的隨機效應

• 預測管道壁面的沖蝕損傷

1.3 模擬內容

本案例模擬的介質為丙烷,同時還有水滴注入到計算域中。

• 模擬液滴被氣體帶入管道中的運動軌跡

• 使用分布粒徑,預測固體壁面上的沖蝕(或附著)

2 啟動FLUENT并導入網格

導入過程這里不詳述。

3 材料設置

• 在FLUENT材料庫中添加材料Propane(c3h8)

4 Cell Zones Conditions

• 設置計算域材料為Propane

5 Calculate

• 設置計算150步,獲取新的計算結果

6 定義Injecions

• 鼠標雙擊模型樹節點Discrete Phase > Injections,在彈出的對話框中選擇按鈕Create
  

  

  
  

• 在彈出的Set Injection Properties對話框中,進行如下圖所示的設置。
  

  

  
  

7 定義DPM材料

• 鼠標雙擊模型樹節點Materials > Inert Particle > anthracite,彈出材料屬性設置對話框,改變Density參數值為1000,如下圖所示,點擊按鈕Change/Create并關閉對話框。
  

  

  
  

8 顆粒追蹤

• 鼠標雙擊模型樹節點Results > Graphics > Particle Tracks,彈出顆粒追蹤參數設置對話框
  

  

  
  

• 點擊對話框中的選項Draw Mesh前的復選框,彈出Mesh Display對話框,點擊Display按鈕。點擊Close按鈕關閉對話框。
  

  

  
  

• 返回Particle Tracks面板,選擇Release from Injections列表框中的injection-0,點擊按鈕Track進行粒子追蹤
  

  
  此時TUI窗口顯示信息如圖所示:
  
  
  
  

  
  

  圖中信息為:追蹤粒子數量158個,其中逃逸158個,丟失0個,捕捉0個,蒸發0個,未完成0個

• 點擊Display按鈕,顯示粒子追蹤圖(顆粒停留時間),如下圖所示。
  

  

  
  

關于DPM的一些分析:
在本例中,液滴從”inlet-z”邊界釋放進入計算域,該邊界上有158個網格,追蹤158個軌跡

• 每一個液滴直徑均為1×104m" role="presentation">1×104m1×104m1000kg/m3" role="presentation">1000kg/m31000kg/m35.22×10?10kg" role="presentation">5.22×10?10kg5.22×10?10kg

• 這里假設從相同位置以相同條件進入計算域的粒子具有相同的軌跡

• 計算中輸入的質量流量為1kg/s,因此158個粒子用于表征1.2×107" role="presentation">1.2×1071.2×1071/(5.22×10?10×158" role="presentation">1/(5.22×10?10×1581/(5.22×10?10×158

• The droplet (or particle) progresses through the domain through a large number of small steps. At each step, the solver computes the force balance acting on a single droplet (diameter 1x10-4 m) – hence considering the drag with the surrounding fluid, droplet inertia, and if applicable gravity. The mass transported is that of all the droplets in that stream (1.2x107 droplets/sec).

• 液滴與連續相間可以是單向耦合也可以是雙向耦合。本案例采用的是單向耦合。

• 單向耦合意味著流體可以影響DPM粒子的動量及能量,但是DPM粒子運動不會影響到其周圍連續相的流場。因此可以在后處理中計算DPM軌跡

• 若有必要的話,可以通過在DPM模型設置面板中激活Interaction with Continuous Phase選項來開啟雙向耦合。雙向耦合計算中連續相收斂要比單向計算困難,往往需要更多的迭代步,在計算的過程中,沒有必要再每一個流動迭代步中計算DPM軌跡,通常在5-10個迭代步后更新粒子軌跡。

9 設置粒子分布直徑

前面對于粒子直徑采用常數,這里改為使用Rosin-Rammler分布。
R-R分布指的是顆粒質量分數與直徑間的函數關系:

Y(d)=e?(d/dˉ)n" role="presentation">Y(d)=e?(d/dˉ)nY(d)=e?(d/dˉ)n

式中,dˉ" role="presentation">dˉdˉ

• 雙擊模型樹節點Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0,如下圖所示。
  

  

  
  

• 在彈出的對話框中進行如下設置

• 設置Diameter Distribution為Rosin-rammler

• 設置Min Diameter為1e-4

• 設置Max Diameter為5e-4

• 設置Mean Diameter為4e-4

• 設置Number of Diameters為10

• 點擊OK按鈕確認操作并關閉對話框。如下圖所示。
  

  

  
  

10 粒子追蹤

• 采用第8步相同的方式進行Particle Tracks
  

  
  粒子追蹤(顆粒停留時間)如下圖所示。
  
  
  
  
  此時TUI窗口消息如下圖所示。
  
  
  
  
  此時追蹤的粒子數量變為了1580個,是因為在上一步中設置
  
  Number of Diameters為10,所以總的粒子數量為10×158=1580" role="presentation">10×158=158010×158=1580

  
  

11 統計出口面上粒徑分布

-鼠標點擊模型樹節點Results > Reports > Discrete Phase > Sample,如下圖所示。

• 在彈出的對話框(如下圖所示)中選擇Boundaries為outlet,選擇Release from Injections為injection-0,點擊Compute按鈕,如下圖所示。
  

  

  
  

• 點擊模型樹節點Results > Reports > Discrete Phase > Histogram,彈出如下圖所示的對話框。

• 點擊Read…按鈕,加載上一步生成的文件outlet.dpm

• 進行如下圖所示設置。選擇Sample為outlet,選擇variable為diameter,選擇weight為mass-flow
  

  

  
  

• 點擊Plot按鈕顯示圖像。
  

12 修改壁面邊界以捕捉顆粒

• 鼠標雙擊模型樹節點Boundary Conditions > wall-fluid(wall),彈出邊界設置對話框

• 切換到DPM標簽頁,設置Boundary cond. Type為Trap,如下圖所示

• 點擊OK按鈕關閉對話框
  

  

  
  

13 顆粒追蹤

按第8步相同的方法進行粒子追蹤。TUI窗口顯示如下圖所示的信息。

14 考慮湍流效應

• 雙擊模型樹節點Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0,彈出如下圖所示對話框。

• 切換至Turbulent Dispersion標簽頁,激活Discrete Random Walk Model,設置Number of Tries為10,點擊OK按鈕關閉對話框。
  

  

  
  

• 采用如步驟8所描述的粒子追蹤方法。
  TUI窗口顯示消息如下圖所示。
  

  
  
  從圖中可以看出,追蹤顆粒數量變為了15800,其中逃逸5324,捕捉3591,追蹤未完成6885

  
  

  追蹤顆粒之所以變為了15800,是因為使用隨機模型的時候設置了Number of Tries為10,故總顆粒數量為158×NumberofDiameters×NumberofTries" role="presentation">158×NumberofDiameters×NumberofTries158×NumberofDiameters×NumberofTries
  這里反映有未完成顆粒,可以通過增大Discrete Phase Model面板中的Max Number of Step來改善。該值默認為500。將此值增大至2000,則未完成顆粒消失。

15 考慮沖蝕

• 計算沖蝕必須使用雙向耦合

• 為計算資源考慮,關閉Discrete Random Walk

• 雙擊模型樹節點Discrete Phase,在彈出的對話框中進行如下圖所示的設置。
  

  

  
  

• 進入Solution > Run Calculation節點,進行如下圖所示設置。
  

  

  
  

  由于本例設置的顆粒材料為液滴,因此壁面采用的是Trap,若為固態顆粒計算沖蝕,則需要設置壁面行為為Reflect。實際計算時還需要對壁面DPM行為參數進行設置,這里采用默認參數。

16 后處理查看壁面沖蝕云圖

• 雙擊模型樹節點Results > Graphics > Contours ,彈出如下圖所示對話框

• 在彈出的對話框中進行如下圖所示設置
  

  
  點擊
  
  Display按鈕顯示沖蝕云圖,如下圖所示。
  
  

  
  

17 導出數據到CFD-POST

dat文件中并沒有包含DPM顆粒軌跡數據,因此需要采用導出的方式將顆粒軌跡導出到文件中。

• 利用菜單File > Export > Particle History Data,彈出如下圖所示對話框
  

  

  
  

• 點擊按鈕Exported Particle Variables…,彈出如下圖所示對話框,在對話框中Available Particle Variables列表項中選擇需要導出的變量,點擊按鈕Add Variables將選擇的變量添加到左側的列表中,點擊OK按鈕關閉對話框。
  

  

  
  

• 返回到Export Particle History Data對話框,點擊Write按鈕輸出顆粒軌跡數據。

• 關閉FLUENT返回至Workbench工程面板。

18 CFD-POST操作

• 從左側的組件列表中選擇Result拖拽至A3單元格上,雙擊工程面板中的B2單元格,進入CFD-POST環境
  

  

  
  

• 利用菜單File > Import > Import Fluent Particle Track File,如圖所示
  

  
  打開如下圖所示對話框,找到上一步導出的顆粒軌跡文件。
  
  
  
  

  
  

• 顆粒軌跡導入后,點擊模型樹節點FLUENT PT for Anthracite,在下方屬性窗口中,設置Max Tracks為500

• 設置Color標簽頁下,進行如下圖所示設置
  

  

  
  

• 點擊Apply按鈕,圖形框顯示粒子追蹤圖如下圖所示。