多场耦合分析在隧道工程中的应用_百度百科
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多场耦合分析在隧道工程中的应用
《多场耦合分析在隧道工程中的应用》是日西南交通大学出版社出版的一本图书，作者是何川，谢红强。
多场耦合分析在隧道工程中的应用内容简介
隧道工程是复杂地质系统中的工程，多场耦合问题是地质系统中普遍存在的前沿课题，尤其是在水下隧道和寒区隧道工程中。多场耦合分析已成为隧道工程的重要分析方法，全书以具体工程事例为对象，重点介绍多场耦合分析在隧道工程的应用问题。全书共分为三篇：第一篇介绍了隧道工程中耦合问题的发展与现状以及多场耦合分析的理论基础；第二篇介绍了越江、海等水下隧道中的水压问题、液固双场耦合分析及水下盾构隧道的施工控制问题等；第三篇介绍了寒区隧道中的冻害问题、热液固多场耦合分析以及在寒区隧道抗防冻方面的应用等。
《多场耦合分析在隧道工程中的应用》可供从事隧道建设的科技人员使用，也可作为高等院校隧道及相关专业师生的参考书。
多场耦合分析在隧道工程中的应用作者简介
何川，男，1964年6月生，重庆市人。日本早稻田大学工学博士，现任西南交通大学土木工程学院地下工程系系主任、教授、博士生导师，隧道与地下工程国家级重点学科方向学术带头人；任中国公路学会隧道工程分会理事，中国土木工程学会隧道及地下工程分会理事，全国地下空间专业委员会副主任，全国地下铁道专业委员会副主任，园家开发银行专家委员会专家，四川省有突出贡献的优秀专家，四川省学术和技术带头人，詹天佑科技奖获得者。
主要研究方向有：隧道与地下结构理论；现代盾构隧道设计理论；地下铁道与轻轨工程；公路隧道运营控制系统等。近年来主持完成了30多项国家、省部级重大工程技术应用科研项目，其中有8项科研成果分别获省部级科技进步一、二、三等奖。在国内外发表论文100多篇（其中SCI、EI、ISTP收录20余篇），出版专著4部。
多场耦合分析在隧道工程中的应用目录
第一篇　隧道工程多场耦合问题
第一章　绪论
第一节　隧道工程中的耦合问题
第二节　国内外研究现状
第三节　本书主要研究工作
第二章　隧道工程耦合分析的理论基础
第一节　岩体弹塑性基本理论
第二节　岩体渗流力学基础
第三节　岩体传热力学基础
第二篇　水下隧道工程
第三章　水下隧道工程及高水压问题
第一节　水下隧道工程
第二节　隧道工程的水压问题
第三节　典型水下隧道工程--重庆过长江盾构隧道简介
第四章　水下盾构隧道施工期液固耦合效应的动态观测及分析
第一节　试验断面的确定
第二节　试验项目及方法
第三节　试验结果的分析
第四节　现场跟踪测试结论
第五章　水下盾构隧道施工期液固耦合效应研究
第一节　水下隧道渗流场与应力场耦合研究方法
第二节　水下盾构隧道施工期渗流场单场数值模拟
第三节　水下盾构隧道施工期液固耦合数值模拟
第四节　水下盾构隧道施工期主体结构安全性评价
第六章　高水压盾构隧道施工期专题技术研究
第一节　水下盾构隧道管片破损机理分析数值模拟
第二节　水下盾构隧道管片壁后二次注浆控制技术研究
第三篇　寒区隧道工程
第七章　寒区隧道工程及其冻害问题
第一节　寒区的定义与分布
第二节　寒区隧道的分类
第三节　寒区隧道冻害问题
第四节　典型寒区工程--鹧鸪山隧道简介
第八章　寒区隧道冻害机理研究
第一节　寒区隧道冻害的调查分析
第二节　混凝土的冰冻破坏
第三节　局部存水冻胀破坏
第四节　冻胀性围岩冻胀破坏
第五节　引起隧道冻害的其他原因
第九章　寒区隧道围岩及结构温度场特性研究
第一节　一般隧道围岩温度场特性研究
第二节　寒区隧道围岩及结构温度场现场测试研究
第三节　寒区隧道伴相变非稳态温度场数值模拟研究
第十章　寒区隧道抗防冻热液固耦合效应研究
第一节　寒区公路隧道抗防冻措施
第二节　寒区隧道保温层相变温度场研究
第三节　寒区隧道热液固耦合机理及数学模型
第四节　寒区隧道抗防冻措施的最终设计
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&&&&As there are many nonlinear problems and the electromagnetic-thermal-structural coupling problem is very complicated, traditional magnetic circuit analysis cannot make a comprehensive solution to these problems.
&&&&由于磁力轴承中存在的非线性问题以及电磁-热-结构多场耦合问题是十分复杂和困难的，传统的磁路分析方法难以把这些问题结合在一起进行综合全面的研究。
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ANSYS CFD Multiphase 多物理场耦合分析
Lecture 6 ANSYS CFD MultiphaseIntroduction to ANSYD CFD1 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Multiphase in ANSYS CFXIntroduction to ANSYD CFD2 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Multiphase Applications? Chemical and Process Industry C Gas cleaning C Fluidized bed reactors C Bubble columns C Polymer production C Mixers C Dryers ? Power Generation C Droplet combustion C Coal combustion C Condensation & boiling C Fuel cells C Cavitation3 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013? Oil and Gas C Oil wells C Pipelines ? Environment C Fog C Rain C Erosion C Emission ? Biomedical C Blood flows C Eyes C LungsRelease 14.0Examples of Multiphase Flows? Horizontal Bubble Reactor (Bubbly Flow)4? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Examples of Multiphase Flows? Cavitation (Phase Change)5? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Examples of Multiphase Flows ? Free Surface Flow (Dam Break)6? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Examples of Multiphase Flows ? Injection and Breakup of Liquid Droplets from a Nozzle7? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Multiphase Flows? 多相流模拟指.C 含有超过一种流体 C 每种流体由其自有流场变量描述 (u, v, w, p, r, T)? 相或流体之间在微观层面上是混合的. 混合尺度小雨求解尺度, 但大于分子 尺度. ? 在微尺度(分子)上的混合用质量分数的方法模拟(多组分流方法).8? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Continuous-Dispersed Multiphase?一相是离散粒子(discrete particles), 液滴(droplets), 或空泡(bubbles)散 布在连续相中 ?例如:C雨: air + water (droplet flow) C软饮料: Liquid + bubbles (bubbly flow) C泥浆: Water + sand (particulate flow) C含尘空气: (particulate flow)C一液体里含有不能融合的另一种液滴, 如. 醋里的油滴.?若在空间上不连续, 则该相为离散相. 否则为连续相. ?允许大的密度差存在 (rc/ rd=1000, rc/ rd=10-3) ?允许大差异的速度场. ?通常的例子如空泡塔器 (bubble columns)和流化床(fluidized beds).9 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Free Surface Flows? 例子C 两个连续相 C 浇模(Mold filling) C 溃坝(Dam break) C 注油(Filling of a gasoline tank) C 液面晃动(Sloshing of a surface in a container) C 明渠流动(Open flow in a channel) C 处理方法:homogeneous , 相和相之间分享同样 的速度和场变量(volume fraction除外）10? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Different Multiphase Flow RegimesGas-Liquid Flow in a Vertical Pipe? ? 多相流(MPF)没有一个统一模型! 右图中的多相流在气体流量逐渐增 加的情况下，从左到右有在连续相 中分布均匀的空泡流, 到节涌流 (slug flow, 又名活塞流 ), 到环状流 (annular flow). ? 模拟对不同区域(regimes)相间相互 作用的方法, (drag laws, interfacial area, etc.) 可能大不相同 模型的选择, 经验很重要!?11? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Modeling Approaches多相流模拟的两个基本方法:? Eulerian-EulerianC两相之间连续的相互作用. 假定相由流体计算域流出. 一般来说, 每个相的体分数和流场变量单独求解. 每个Eulerian dispersed phase具有单一直径的特征. 用标准的欧拉方法模拟三种不同 大小的空气泡泡在水中的分布情况, 需要四相的欧拉方法进行计算CC? Eulerian-LagrangianC C在这个方法中, 以追踪一定数量通过流体域的有代表性粒子的离散轨迹的方法进行模 拟. 可轻松获得粒子大小(particle sizes )的分布. 在离散相粒子体分数较小时, Lagrangian方法忽略粒子-粒子之间的相互作用.12? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0多相流中的物理问题? 相关物理现象 ? 浮力(Buoyancy)? 相间拽力(Interphase drag)? 相间质量传输(Interphase mass transfer) ? 表面张力(Surface tension) ? 粒子-粒子相互作用(Particle-particle interactions) ? 破碎和聚结(Breakup and coalescence)? 相间面积的模化(Modeling interfacial area)13? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Multiphase Flows? 多相流模拟中很多物理现象很重要, 包括:C 浮力(Buoyancy) C 相间拽力或动量交换(Interphase drag or exchange of momentum)C 相间质量或组分交换(Interphase exchange of mass or species)C 表面张力(Surface tension) C 离散相粒子-粒子之间的作用(Dispersed phase particle-particle interactions)C 离散相的破碎和/或聚结(Breakup and/or coalescence of dispersed phases)C 湍流影响(Turbulence effects) C 相间面积的模化(Modeling interfacial area)? 对一些多相流问题重要的物理现象, 对其他多相流问题不一定重要. 特别问题要特别对待.14 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Buoyancy? 在所有流动中都含有重力的影响, 在当无密度梯度流动中 (如. 常密度的不可压流体), 重力在压力梯度上的影响通过以大小相等方向相反的静压梯度的方法平衡. 具体到动量守恒方程上, 有: LHS = rg - ?p? 对gas-solid 和 gas-liquid 多相流, 相间的密度差可以达到1000倍. 对solid-liquid 和liquid-liquid多相流, 相间密度差稍小, 但是浮力项依然很重要.? 对很多多相流问题, 浮力是必须要考虑的.15? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Modeling Buoyancy in ANSYS CFX? 为了避免动量方程中出现两个大的且方向相反的两项 (会增加元整误差),引入浮力参考密度并场求解对应修正压力场:rg - ?p = (r - r0)g - ?p’ where p’ = p - r0 (g . x)当激活浮力选项, 这时就必须指定参考密度. 对多相流问题, 参考密度即是 其中一相的密度.16? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Interphase Drag?类似于苏打饮料瓶内气泡在流体内的上升:?气泡通过液体的上升. 上升速度不同, 相间拽力或动量转化就不相同:C 气泡由液体的作用速度变慢. C 液体由气泡的作用速度加快.? 为了求解两相的动量方程, 需要对相间的拽力进行表达.17? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Interphase Drag? 离散相粒子/液滴/空泡与连续相间的拽力, 取决于离散相的大小和形状、 流体计算域和流体性质 . ? 多数拽力经验系数来源于球形实体.? 固体粒子的大小和形状不随流动条件改变而变化. ? 随流体力的变化, 液滴和空泡可以变形, 可以破碎或融合成更大的液滴或 空泡.18? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Distorted Droplets and Bubbles? Small bubbles - spherical ? Larger bubbles - ellipsoidal? As bubble size increases, spherical caps may be formed? The drag relationships are very different for the different bubble shapes!19 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Motion of Distorted Bubbles? 在椭球区域或变形区域, 液滴或空泡以螺旋形路径上升20? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Drag Coefficient? 对单个粒子而言, 拽力与流体和颗粒间的相对速度有关, 以拽力系数表示 CD:2 ?d p1 FD ? CD rf Ap U r U r 2U r ? Uf - U pAp ?4? 通常来说, 拽力系数减少粒子雷诺数(particle Reynolds number):rf U r d p Re p ? ?f确切的关系与相的形态和流动属性有关. 大多数情况下, 可援引经验系数CD.21? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Interphase Mass Transfer? 相间的质量转化出现在:C 由于热或局部压力的影响一个相的部分状态发生变化, 如.? 沸腾boiling ? 焊接melting ? 凝固freezing ? 升华sublimation ? 凝结condensation? 蒸发evaporation? 空化cavitation ……C 组分传输是在多组分流中从一个相扩散到另个相处.22? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Examples of Boiling23? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Examples of Condensation24? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Cavitation Examples and Effects25? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.026? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.027? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Mass Transfer Models? 模化相间的质量变化有两种方法. 如果传递非常快速而且不关心过程细节,可以假定两相始终处于热动力平衡状态(thermodynamic equilibrium). 对有 限速率的质量传递, 可做真实的多相流分析,两相并非始终处于热动力平衡状态.C Equilibrium or single-phase multicomponent approach:? 假定质量传输过程快速? 代数法确定体分数(能量方程)? 将‘Wet steam’ 看成单相流体C Nonequilibrium approach? 求解体分数输运方程? 模化相间有限质量输运率(finite interphase mass transfer rates) ? 将‘Wet steam’ 看成两相流体- 连续相的水蒸气和离散相的液滴28 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Surface Tension? 自由液面相间力FF σ ? L? 法向分量(Normal component) C 平滑的高曲率区域 C 导致液滴内的压力上升: ? 切向分量(Tangential component)Dp ? skC 向高区域的移动液体C 马朗戈尼效应 (s 随温度的增加而减少)29 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Particle-Particle Interactions?在小的体分数情况下, 与离散相与连续相的作用相比，稀少的离散相相互作用的可能性非常低. 在这些条件下, 忽略particle-particle 的相互作用.? 随着体分数的增加, particle-particle的相互作用变得显著而且相间的拽力在 不同体分数下也不相同. ? 对流体中的离散固体颗粒, 粒子的最大体分数达到上限的情况是固体粒子紧紧 的挨在一起. 这是依然有流体空间, 所以最大的固体颗粒体分数依然小于1.在这个情况下, 需要考虑其它力的来阻止固体颗粒体分数超过固体颗粒体分数上限.30? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Breakup and Coalescence? 液滴和空泡由于碰撞和力的作用将发生变形. 这个变形会导致破碎或融 合成更大的颗粒如:C 一定湍流强度的连续气相前喷嘴喷射的液滴的破碎 C 连个空泡融合形成一个大的空泡 C 液体或气体空泡在较大剪切应力区域的破碎?破碎和合并可能出现:C 当尺度小于求解网格尺度时. 可采用MUSIG模型处理Eulerian离散相或 Lagrangian离散相的液滴破碎问题. C 在求解的网格尺度. 在考虑表面张力的情况下, 可模拟破碎或单个液滴/空泡的合并.31? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Interfacial Area Density? 单元体积的相间面积(the interfacial area per unit volume )是个重要的参数, 控制相间用于动量/质量/组分交换的面积. 对离散相而言, 表现为体分数(volumefraction) ak :C Sphere (particle) model:2 A kl A kl Vk ?d P N 6a ? ? 3 ak ? k V Vk V ?d P N 6 dPC Mixture model:2 ak V A kl A kl a l k ?d P N 6a k A kl ? ? ? 3 ak ? V Vd kl V ?d P N 6 dP k 2 A kl A kl Vk ?d P N 6a k A kl?? C ?a k ? 3 ak ? V Vk V ?d N 6 dP C ? 1 for laminar P flowC Free surface flow model:32? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0多相流模拟的建模方法? 完全的多相流分析C Eulerian-Eulerian: 体积分数的输运方程; 相动量方程 C Eulerian-Lagrangian: 追踪离散相轨迹; 常微分方程求解轨迹粒子(F = ma)? 简化的多组分方法C 代数滑移(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model) C 发生相变的亮相流体的平衡模型(equilibrium model) C 单相动量方程; 或输运方程(代数滑移) 或以不同组分质量分数表示不同相的 代数方程 (平衡模型)33? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Modeling Approaches? 不同的多相流流动采用的方法是不同的. 方法是否合适取决于多相流流动的特性和相关的物理现象.? 简化的多组分方法C 发生相变的两相平衡模型(equilibrium model)? 假定质量输运很快? 考虑混合物(液体和其蒸气)的能量和焓的代数表达式计算出体分数? 由计算得到的液体和其蒸气的体分数计算混合物的属性C 代数滑移(algebraic slip)或漂流通量模型(drift flux model)? 假定粒子立刻达到最终速度(小颗粒, 忽略拽力)? 代数滑移相以质量分数方式表示? 完全的多相流分析C Eulerian-Eulerian: 体分数输运方程34 2011 ANSYS, Inc. October 离散相轨迹追踪 C ?Eulerian-Lagrangian: 25, 2013 Release 14.0Eulerian-Eulerian Approach?相和相之间形成连续统一体C相和相之间的混合尺度大于分子尺度而小于求解尺度. C相和相之间分享同样的空间体积. 各相都以指定的体分数占据每个控制体(单元).求解各相的连续性方程得到各相的体分数.C一般来说, 各相都有各自的场变量(field variables). 假定相间变量相同( homogeneous)C对相间的能量, 质量和动量输运进行耦合计算.C相间输运模型(transfer models)对不同的问题有不同的经验输入.35 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Eulerian-Eulerian Approach? 每一相的连续, 动量, 能量, 和通常的标量守恒方程.C N套耦合的偏微分方程? (u, v, w, p, T, vf)1? (u, v, w, p, T, vf)2? (u, v, w, p, T, vf)N ? 6 + 6 + … unknowns? 5 + 5 + 5 … equations? vf1+vf2 + … = 1 ? p1=p2=pNC 对homogeneous处理方法, 假定两相处体分数外有相同的场变量 (fieldvariables) C 总的计算量更少, 经常用于自有液面问题 C 对inhomogeneous方法, 相间仅仅压力场共享36 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Effect of Averaging?通常, 假定任何给定的单元包含一定数量的离散相粒子, 液滴, 或空泡. 在任何给定单元包含的离散相的数目与体分数相等.C相加权平均C离散粒子, 液滴, ... ? 统计概率a (volume fraction) C与相间结构无关a1 ? 0.537? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Eulerian Transport Equation? 一般变量的输运方程. 这些方程除了考虑了加权平均的体分数ra及添加了相 间输运相外与单相流的输运方程有相同的形式:? ( ra ra?a ) ? ? ? ( ra raUa?a - ra ?a ??a ) ? ra Sa ? Ta ?t?在等式右边有两套源项. 第一项是标准的体分数加权项. 第二项是相间 输运. ?对两相流来说: T1 ? c12 (?2 - ?1 )这里 c12 (?2 - ?1 ) 是由于能量(热)变化或动量(拽力)变化引起的相间输运项38? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Continuity and Momentum?相的连续方程: NP ? ? ? ( ra ra ) ? ? ? ( ra raUa ) ? ? ( ma? - m?a ) ?t ? ?1 ?动量方程: ? ( ra ra Ua ) ? ? ? [ra {ra Ua ? Ua - ?a (?Ua ? [Ua ]T )}] ?t? ra ( B - ?pa ) ? ? ca? (U ? - Ua )NP? ?1?ANSYS CFX里内置一系列相间拽力系数模型(interphase drag coefficient ). ?从连续方程可以看出相间质量输运项位于等式右边.39 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0人口平衡/MUSIG Model ?在标准Eulerian-Eulerian应用中, 离散相仅以单一直径的方法描述. 实际上在大多数情况下, 离散的液滴和空泡可能在流体力的作用下发生融合或破碎使得离散相直径发生变化.?MUSIG Model-Multiple Size Group model -离散相包含一系列不同尺寸的离散颗粒-对应于population balance方法-在默认的homogeneous方法上, 所有不同直径的颗粒移动速度相同 -可预测不同大小的颗粒的分布, 对应流体力和融合或分散现象的发生局部平均尺寸和相间面积会发生变化40 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Eulerian-Lagrangian Approach? 对Eulerian-Lagrangian方法, 连续相以先前的方式进行描述, 但是对一个或多个离散相对具有代表性的粒子轨迹追踪的方法进行描述.? 对Eulerian相, 求解所有因变量(速度, 温度, 等.)的PDE(偏微分方程)?对Lagrangian相, 将运动颗粒看作运动质点, 求解ODE(常微分方程) :F = ma = m d2X/dt2?Eulerian 和 Lagrangian相依然由于动量, 能量和质量变化相互作用? 离散颗粒尺寸变化的情况下, 可采用Lagrangian方法41? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Force Balance on a Single Particle? 粒子动量方程 ? 空气动力学和质量力平衡42? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Single Particle ForcesDrag Buoyancy? ? ? 1 FD ? C D r C AP U P - U C U P - U C 2 ? ? FB ? M P ( r P - rC ) r P g()System rotationAdded mass? ? ? ? ? ? FR ? 2? ? U P r P - ? ? ? ? rP r P ? ? ? 1 FVM ? CVM M C dU C dt - dU P dt 2()Pressure gradient? ? FP ? M C dU C dt ? - M C ?P rCBasset? FBH ? History of accelerationOctober 25, 2013 Release 14.043? 2011 ANSYS, Inc.Algebraic Slip Model? 简化的多组分流模型? 对滑移/漂移速度(slip/drift velocities)采用代数方程(algebraic equation) ? 想见帮助? Advantages:? 减少CPU时间 ? 降低复杂度? Limitations:? 离散相密度和颗粒直径必须较小 (假定瞬时达到最终速度)? 忽略非拽力(Nondrag forces are negligible)44 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0Algebraic Slip Model in ANSYS CFX?ANSYS CFX里的应用- 单相多组分流模型(Single-phase multi-component model) - 设置连续相作为约束组分 - 设置每个离散相为“代数滑移”组分:?拽力平衡(Drag force balance) C 求解器计算滑移速度, 给定一颗 粒拽力律(drag law, 如, Schiller Naumann).?滑移速度45? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Algebraic Slip Model in ANSYS CFX? 湍流扩散- 采用标准的梯度扩散假设(standard gradient diffusion hypothesis), 由湍流Prandtl数控制? 能量输运- 由滑移流动进行能量输运.? 壁面沉积(Wall deposition)- 可设Wall为deposition walls. 离散相从系统中移除, 以约束相取代. - 后处理可以出来沉积率(Deposition rate)46? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Algebraic Slip Model in ANSYS CFX?后处理变量:- Mass fraction - Volume fraction - Deposition rate - Slip velocity- Drift velocity?模型缺陷:- 连续相和离散相自身不能是可变组分的混合物47? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Algebraic Slip Model Example? 例如:- L-bend, joined by GGI- Gravity in x-direction - Deposition wall on side and bottom - Three particle groups:? Small: 1.E-6 [m] ? Medium: 1.E-5 [m] ? Large: 1.E-4 [m]- Schiller-Naumann drag law48? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Algebraic Slip Model Example49? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Algebraic Slip Model Example50? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Algebraic Slip Model Example51? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Algebraic Slip Model Example52? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Equilibrium Multiphase Models? ? ?在某些情况下, 不关心两相流行为的细节的描述, 而关心两相混合后的流体属性. 例如湿蒸气流或制冷剂蒸气流. 在平衡方法(equilibrium approach)中, 假定两相混合物处于混合质量平衡态, 由混 合物中各相的焓决定: x = (hmixture - hl)/(hv - hl)?混合物的饱和属性以Homogeneous Binary Mixture定义.53? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Equilibrium Multiphase Models?用homogenous binary mixture定义两组分的饱和属性 (如. 液体和蒸气 homogeneous binary mixture通常用于流体域定义单个流体 指定其中一个组分 (如. liquid or vapor) 的平衡分数(equlibrium fraction) .??54? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Equilibrium Model ExampleImporting materials from the Redlich-Kwong library?55? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Equilibrium Model Example56? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Equilibrium Model ExampleHomogeneous Binary Mixture57? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Multiphase in ANSYS FLUENTIntroduction to ANSYD CFD58 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0FLUENT的多相流模型? FLUENT 包括四种不同的多相流模型:C Discrete Phase Model (DPM) C Volume of Fluid Model (VOF) C Eulerian ModelC Mixture Model? 选择合适的模型非常重要C 取决于流体是否离散―以两相间的长度尺度界定C 还需考虑Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例)59? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0Volume and Particulate Loading? 体积加载(Volume Loading) C 稀疏 .vs. 稠密C 次要相的容积分数C 稀疏加载时 (小于10%),颗粒间的平均距离是颗粒直径的两倍. 此时可忽略颗粒间的相互作用.? 粒子加载(Particulate Loading)C弥散相与连续相的惯性力比.60? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0多相流湍流模拟? 多相流的湍流模拟是极具挑战性的. ? 目前, 只使用单相流湍流模型(如kCε 或 RSM)模拟主相的湍流运动情况. ? 湍流方程包含由次要相引起的其它湍流修正项.? 如果两相分离, 同时相与相之间的密度比接近1, 或颗粒容积分数较低 (& 10%),可用单相模型描述表征混合相的特征.? 对其它问题, 也采用单相模型或颗粒修正模型.61? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0多组分相(Mixtures of Species)? FLUENT内的所有多相流模型，任意相都可以是单物质或多组分物质.? 相混合物的材料定义和单相流相同. ? 可模拟异相反应 (反应物和生成物可属于不同的相).C 这表明异相反应会导致在交界面发生质量传递.62? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0离散相模型概述? 在拉格朗日参考系中计算颗粒，液滴及气泡的轨迹.C C C C颗粒可以与连续相（气相）进行热量，质量和动量交换.每一条轨迹线代表一组初始条件相同的颗粒. DPM 忽略颗粒间的碰撞及其它相互作用. 湍流对颗粒运动的影响可使用随即跟踪（最常用的方法）或颗粒云团模型来模拟l.? 子模型 C 热传递, 蒸发/沸腾, 燃烧, 破碎/融合, 腐蚀/增生. ? DPM 应用C C C C C C C C C C流动范围: 体积加载: 气泡流, 液滴流, 颗粒加载流 必须是稀疏的 (容积分数& 12%)粒子加载:Stokes 数:低－中所有? 应用案例CyclonesSpray dryersParticle separation and classification Aerosol dispersion Liquid fuel?Coal combustion 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.063离散相模型设置Define Models Discrete Phase…DefineInjections…Display64 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013Particle Tracks…Release 14.0DPM 边界条件? Escape? Trap? Reflect? Wall-jet65? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0欧拉多相流模型? 欧拉多相流模型属于多流体模型. 所有相同时存在.C 每一相都有对应的守恒方程组 (压力梯度，热传导等.) C 守恒方程组里包含界面交换项 (阻力，升力，质量传递等.).? 界面交换项通常是非线性的，因此，有时收敛会存在困难. ? 欧拉模型的应用C 流动范围 C 体积加载 C 颗粒加载 C Stokes 数Bubbly flow, droplet flow, slurry flow, fluidized bed, particle-laden flow 稀疏－稠密 低－高 所有? 应用案例C High particle loading flows C Slurry flows C Sedimentation C Fluidized beds66C? 2011 ANSYS, Inc. RisersOctober 25, 2013Release 14.0Eulerian Multiphase Model Equations? Continuity:? (a q r q ) ?tVolume fraction for the qth phasen? ? ? ? (a q r q u q ) ? ? m pqp ?1?r Momentum for qth phase: ?(a u )q q q?ttransient? ? ? (a q rq u q u q ) ? -a q?p ? a q rq g ? ? ? τ q ?convection pressure body shear?(Rp ?1npq? ? m pq u q ) ? a q rq (Fq ? Flift ,q ? Fvm,q )external, lift, and virtual mass forcesSolids pressure term is included for granular model.interphase interphase mass forces exchange exchange?Fpq ? -Fqp R pq ? K pq (u p - u q ) The inter-phase exchange forces are expressed as:In general:67Exchange coefficient?2011 ANSYS, Inc. equation for the qth phase can be similarly formulated. Energy ? October 25, 2013Release 14.0欧拉模型方程? 第q相混合物组分i的多相流组分输运方程Mass fraction of species i in qth phase? q q q a r Yi ? ? ? a qrqu qYi q ? -? ? a q J iq ? a q Riq ? a q Siq ? ?t()()? ?(mn p ?1pi q j? - mq j pi)transientconvectivediffusionhomogeneous reaction heterogeneous homogeneous reaction production? 均相及异相反应的设置与单相相同 ? 相同组分可属于不同相，但之间无任何关系68? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0欧拉模型设置Define Phases…DefineModelsViscous…69? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0混合模型设置? 基于小Stokes 数的假设，混合模型是简化的欧拉模型.C 求解混合物动量方程 (质量平均混合速度) C 对每一个次要相求解容积分数输运方程.? 混合模型应用C C C C流动范围: 体积加载: 颗粒加载: Stokes 数: Bubbly, droplet, and slurry flows 稀疏－适当稠密 低－中 St && 1? 应用案例C C C C70Hydrocyclones Bubble column reactors Solid suspensions Gas spargingOctober 25, 2013 Release 14.0? 2011 ANSYS, Inc.混合模型方程? 求解混合物连续性方程? 求解每一次要相容积分数输运方程Drift velocity? 求解混合物动量方程? 混合物参数定义如下:71? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0混合模型设置Define Models Multiphase…DefinePhases…72? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0混合模型设置? 边界条件? 定义次要相容积分数. ? 使用patch初始相的位置.73 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0空化模型? 空化模型用来模拟局部液体压力低于蒸汽压时气泡的生成.? 考虑非凝结气体的作用. ? 蒸汽守恒方程中包含蒸汽生成和冷凝项，而这两项与局部压力和饱和 蒸汽压差值的正负号相关 (考虑非冷凝气体的存在).? 通常和混合模型一起使用，不兼容VOF模型.74? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0欧拉－粒子模型设置? 在定义次要相时激活粒子选项. ? 需要定义粒子特性参数. ? 选择合适的相作用模型.75? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0VOF模型概述? VOF模型用来跟踪两种或多种不相容流体分界面的位置及运动.? VOF 模型可考虑:C 湍流，能量及组分输运 C 表面张力及壁面粘滞作用 C 相的可压缩性? VOF 模型应用:C C C C C流动范围 体积加载 颗粒加载 湍流模拟 Stokes 数 Slug flow, stratified/free-surface flow 稀疏－稠密 低－高 相间弱到中等程度的耦合 所有? 应用案例C Large slug flows C Tank filling C Offshore separator sloshing76 2011 ANSYS, C ?Coating Inc. October 25, 2013 Release 14.0VOF 模型设置Define ModelsMultiphase…DefinePhases…DefineOperating Conditions…Operating Density should be set to that of lightest phase with body forces enabled.77 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0应用于多相流的UDFs? 当激活多相流模型的时候, 与单相计算类似也需设置多相的性质和变量.Domain ID = 1C 需要thread和domain数据结构(thread 和domain data structures ).2 Phase 1 DomainMixture DomainMixture Thread3? 通常宏DEFINE 用于定义thread或 domain(mixture或phase).Phase 2 Domain4Phase 3 Domain5Interaction DomainPhase Thread? 若thread是mixture thread或phasedensities , C_R(cell,thread) 返回 mixture density.Domain ID78? 2011 ANSYS, Inc.October 25, 2013Release 14.0DPM 案例 C Spray Drier? 喷雾干燥(Spray)器的模拟, 包括液体以雾状方式喷入加热的容器中 ,用DPM模拟流动、传热、传质过程.Initial particle Diameter: 2 mm79 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 20131.1 mm 不同初始直径随机颗粒轨迹0.2 mmContours of Evaporated WaterRelease 14.0Eulerian ModelC三维气泡床(3D Bubble Column)z = 20 cmz = 15 cmz = 10 cmz = 5 cmIsosurface of Gas Volume Fraction = 0.17580 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013Liquid Velocity VectorsRelease 14.0Eulerian Model 粒子选项? 当存在高浓度的固体颗粒时, 会导致颗粒间高频率的碰撞, 此时应选Granular.? 假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞行为, 对颗粒相使用分子云理论(Molecular cloud theory).? 应用这个理论后, 连续相和颗粒相的动量方程都增加了附加应力.GravityC 这些应力 (颗粒“粘性”, “压力” 等.) 由颗粒速度脉动强度确定.C 伴随颗粒速度脉动的动能由拟热“pseudo-thermal” 或颗粒温度代表.GasGas / SandC 不考虑颗粒的弹性变形.81 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013Contours of Solids Volume Fraction for High Velocity Gas/Sand ProductionRelease 14.0Mixture Model 案例 C Gas Sparging? 使用混合多相流模型模拟氮气喷入搅拌器的过程.C 采用多参考系方法模拟旋转叶轮.? FLUENT 能很好地模拟搅拌系统的含气率.Animation of Gas Volume Fraction Contours82 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013Water Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec.Release 14.0VOF 案例 C 汽车燃料箱晃动? 使用FLUENT内的VOF模型模拟不同加速条件下液体的晃动情况 (自由表面Fuel Tank Without Baffles运动）.? 模拟结果表明油箱底部有隔板时，抽油口始终浸没在油面以下；无隔板时， 抽油口会间断露在油面以上.t = 1.05 sect = 2.05 secFuel Tank With Baffles83 ? 2011 ANSYS, Inc. October 25, 2013 Release 14.0
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