【FLUENT案例】02：DPM模型

2017-01-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引子
1.1 案例描述
1.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.3 模擬內(nèi)容
2 啟動(dòng)FLUENT并導(dǎo)入網(wǎng)格
3 材料設(shè)置
4 Cell Zones Conditions
5 Calculate
6 定義Injecions
7 定義DPM材料
8 顆粒追蹤
9 設(shè)置粒子分布直徑
10 粒子追蹤
11 統(tǒng)計(jì)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(yīng)
15 考慮沖蝕
16 后處理查看壁面沖蝕云圖
17 導(dǎo)出數(shù)據(jù)到CFD-POST
18 CFD-POST操作

本案例延續(xù)案例1的模型及計(jì)算結(jié)果。

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。在前面的案例中,模擬了T型管中的單相流動(dòng)。本案例將使用相同的T型管模型,模擬顆粒進(jìn)入T型管后的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

本案例學(xué)習(xí)目標(biāo)包括:

定義顆粒材料
向計(jì)算域中注入顆粒
使用常數(shù)或分布函數(shù)定義顆粒粒徑
包含顆粒的隨機(jī)效應(yīng)
預(yù)測管道壁面的沖蝕損傷

1.3 模擬內(nèi)容

本案例模擬的是幾何模型與案例1相同,不過介質(zhì)為丙烷,同時(shí)還有水滴注入到計(jì)算域中。

模擬液滴被氣體帶入管道中的運(yùn)動(dòng)軌跡
使用分布粒徑,預(yù)測固體壁面上的沖蝕(或附著)

2 啟動(dòng)FLUENT并導(dǎo)入網(wǎng)格

采用案例1的Case,導(dǎo)入過程這里不詳述。

3 材料設(shè)置

在FLUENT材料庫中添加材料Propane(c3h8)

4 Cell Zones Conditions

設(shè)置計(jì)算域材料為Propane

5 Calculate

設(shè)置計(jì)算150步,獲取新的計(jì)算結(jié)果

6 定義Injecions

鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)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(jìn)行如下圖所示的設(shè)置。

7 定義DPM材料

鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Materials > Inert Particle > anthracite,彈出材料屬性設(shè)置對話框,改變Density參數(shù)值為1000,如下圖所示,點(diǎn)擊按鈕Change/Create并關(guān)閉對話框。

8 顆粒追蹤

鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Results > Graphics > Particle Tracks,彈出顆粒追蹤參數(shù)設(shè)置對話框
點(diǎn)擊對話框中的選項(xiàng)Draw Mesh前的復(fù)選框,彈出Mesh Display對話框,點(diǎn)擊Display按鈕。點(diǎn)擊Close按鈕關(guān)閉對話框。
返回Particle Tracks面板,選擇Release from Injections列表框中的injection-0,點(diǎn)擊按鈕Track進(jìn)行粒子追蹤

此時(shí)TUI窗口顯示信息如圖所示:

圖中信息為:追蹤粒子數(shù)量158個(gè),其中逃逸158個(gè),丟失0個(gè),捕捉0個(gè),蒸發(fā)0個(gè),未完成0個(gè)
點(diǎn)擊Display按鈕,顯示粒子追蹤圖(顆粒停留時(shí)間),如下圖所示。

關(guān)于DPM的一些分析:
在本例中,液滴從”inlet-z”邊界釋放進(jìn)入計(jì)算域,該邊界上有158個(gè)網(wǎng)格,追蹤158個(gè)軌跡

每一個(gè)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(shè)從相同位置以相同條件進(jìn)入計(jì)算域的粒子具有相同的軌跡

計(jì)算中輸入的質(zhì)量流量為1kg/s,因此158個(gè)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(xù)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(dòng)量及能量,但是DPM粒子運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響到其周圍連續(xù)相的流場。因此可以在后處理中計(jì)算DPM軌跡

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

9 設(shè)置粒子分布直徑

前面對于粒子直徑采用常數(shù),這里改為使用Rosin-Rammler分布。
R-R分布指的是顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與直徑間的函數(shù)關(guān)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(jié)點(diǎn)Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0,如下圖所示。
在彈出的對話框中進(jìn)行如下設(shè)置
- 設(shè)置Diameter Distribution為Rosin-rammler
- 設(shè)置Min Diameter為1e-4
- 設(shè)置Max Diameter為5e-4
- 設(shè)置Mean Diameter為4e-4
- 設(shè)置Number of Diameters為10
點(diǎn)擊OK按鈕確認(rèn)操作并關(guān)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(jìn)行Particle Tracks

粒子追蹤(顆粒停留時(shí)間)如下圖所示。

此時(shí)TUI窗口消息如下圖所示。

此時(shí)追蹤的粒子數(shù)量變?yōu)榱?580個(gè),是因?yàn)樵谏弦徊街性O(shè)置

Number of Diameters為10,所以總的粒子數(shù)量為10×158=1580" role="presentation">10×158=158010×158=1580

11 統(tǒng)計(jì)出口面上粒徑分布

-鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)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(diǎn)擊Compute按鈕,如下圖所示。
點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Results > Reports > Discrete Phase > Histogram,彈出如下圖所示的對話框。
點(diǎn)擊Read…按鈕,加載上一步生成的文件outlet.dpm
進(jìn)行如下圖所示設(shè)置。選擇Sample為outlet,選擇variable為diameter,選擇weight為mass-flow
點(diǎn)擊Plot按鈕顯示圖像。如下圖所示。(也可以將數(shù)據(jù)輸出,然后用其他后處理工具繪圖)

12 修改壁面邊界以捕捉顆粒

鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Boundary Conditions > wall-fluid(wall),彈出邊界設(shè)置對話框
切換到DPM標(biāo)簽頁,設(shè)置Boundary cond. Type為Trap,如下圖所示
點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對話框

13 顆粒追蹤

按第8步相同的方法進(jìn)行粒子追蹤。TUI窗口顯示如下圖所示的信息。

可以看出,釋放了1580個(gè)顆粒,其中逃逸857個(gè),捕捉723個(gè)。
顆粒追蹤(粒子停留時(shí)間)如下圖所示。

14 考慮湍流效應(yīng)

雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0,彈出如下圖所示對話框。
切換至Turbulent Dispersion標(biāo)簽頁,激活Discrete Random Walk Model,設(shè)置Number of Tries為10,點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)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(shù)量變?yōu)榱?5800,其中逃逸5324,捕捉3591,追蹤未完成6885

追蹤顆粒之所以變?yōu)榱?5800,是因?yàn)槭褂秒S機(jī)模型的時(shí)候設(shè)置了Number of Tries為10,故總顆粒數(shù)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(rèn)為500。將此值增大至2000,則未完成顆粒消失。

15 考慮沖蝕

計(jì)算沖蝕必須使用雙向耦合
為計(jì)算資源考慮,關(guān)閉Discrete Random Walk
雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Discrete Phase,在彈出的對話框中進(jìn)行如下圖所示的設(shè)置。
進(jìn)入Solution > Run Calculation節(jié)點(diǎn),進(jìn)行如下圖所示設(shè)置。

由于本例設(shè)置的顆粒材料為液滴,因此壁面采用的是Trap,若為固態(tài)顆粒計(jì)算沖蝕,則需要設(shè)置壁面行為為Reflect。實(shí)際計(jì)算時(shí)還需要對壁面DPM行為參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,這里采用默認(rèn)參數(shù)。

16 后處理查看壁面沖蝕云圖

雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Results > Graphics > Contours ,彈出如下圖所示對話框
在彈出的對話框中進(jìn)行如下圖所示設(shè)置

點(diǎn)擊

Display按鈕顯示沖蝕云圖,如下圖所示。

17 導(dǎo)出數(shù)據(jù)到CFD-POST

dat文件中并沒有包含DPM顆粒軌跡數(shù)據(jù),因此需要采用導(dǎo)出的方式將顆粒軌跡導(dǎo)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(diǎn)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(xiàng)中選擇需要導(dǎo)出的變量,點(diǎn)擊按鈕Add Variables將選擇的變量添加到左側(cè)的列表中,點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對話框。
返回到Export Particle History Data對話框,點(diǎn)擊Write按鈕輸出顆粒軌跡數(shù)據(jù)。
關(guān)閉FLUENT返回至Workbench工程面板。

18 CFD-POST操作

從左側(cè)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(jìn)入CFD-POST環(huán)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(dǎo)出的顆粒軌跡文件。
顆粒軌跡導(dǎo)入后,點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)FLUENT PT for Anthracite,在下方屬性窗口中,設(shè)置Max Tracks為500