【FLUENT案例】02：DPM模型

1 引子
1.1 案例描述
1.2 学习目标
1.3 模拟内容
2 启动FLUENT并导入网格
3 材料设置
4 Cell Zones Conditions
5 Calculate
6 定义Injecions
7 定义DPM材料
8 颗粒追踪
9 设置粒子分布直径
10 粒子追踪
11 统计出口面上粒径分布
12 修改壁面边界以捕捉颗粒
13 颗粒追踪
14 考虑湍流效应
15 考虑冲蚀
16 后处理查看壁面冲蚀云图
17 导出数据到CFD-POST
18 CFD-POST操作

本案例延续案例1的模型及计算结果。

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，模拟了T型管中的单相流动。本案例将使用相同的T型管模型，模拟颗粒进入T型管后的运动轨迹。

1.2 学习目标

本案例学习目标包括：

• 定义颗粒材料
• 向计算域中注入颗粒
• 使用常数或分布函数定义颗粒粒径
• 包含颗粒的随机效应
• 预测管道壁面的冲蚀损伤

1.3 模拟内容

本案例模拟的是几何模型与案例1相同，不过介质为丙烷，同时还有水滴注入到计算域中。

• 模拟液滴被气体带入管道中的运动轨迹
• 使用分布粒径，预测固体壁面上的冲蚀（或附着）

2 启动FLUENT并导入网格

采用案例1的Case，导入过程这里不详述。

3 材料设置

• 在FLUENT材料库中添加材料Propane(c3h8)

4 Cell Zones Conditions

• 设置计算域材料为Propane

5 Calculate

• 设置计算150步，获取新的计算结果

6 定义Injecions

• 鼠标双击模型树节点Discrete Phase > Injections，在弹出的对话框中选择按钮Create
  
  
• 在弹出的Set Injection Properties对话框中，进行如下图所示的设置。
  
  

7 定义DPM材料

• 鼠标双击模型树节点Materials > Inert Particle > anthracite，弹出材料属性设置对话框，改变Density参数值为1000，如下图所示，点击按钮Change/Create并关闭对话框。
  
  

8 颗粒追踪

• 鼠标双击模型树节点Results > Graphics > Particle Tracks，弹出颗粒追踪参数设置对话框
  
  
• 点击对话框中的选项Draw Mesh前的复选框，弹出Mesh Display对话框，点击Display按钮。点击Close按钮关闭对话框。
  
  

• 返回Particle Tracks面板，选择Release from Injections列表框中的injection-0，点击按钮Track进行粒子追踪
  
  
  
  此时TUI窗口显示信息如图所示：
  
  

  图中信息为：追踪粒子数量158个，其中逃逸158个，丢失0个，捕捉0个，蒸发0个，未完成0个

• 点击Display按钮，显示粒子追踪图（颗粒停留时间），如下图所示。
  
  

关于DPM的一些分析：

在本例中，液滴从”inlet-z”边界释放进入计算域，该边界上有158个网格，追踪158个轨迹

• 每一个液滴直径均为1×104m1×104m，其密度为1000kg/m31000kg/m3，因此液滴质量为5.22×10−10kg5.22×10−10kg
• 这里假设从相同位置以相同条件进入计算域的粒子具有相同的轨迹
• 计算中输入的质量流量为1kg/s，因此158个粒子用于表征1.2×1071.2×107个真实粒子（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).
• 液滴与连续相间可以是单向耦合也可以是双向耦合。本案例采用的是单向耦合。
  • 单向耦合意味着流体可以影响DPM粒子的动量及能量，但是DPM粒子运动不会影响到其周围连续相的流场。因此可以在后处理中计算DPM轨迹
  • 若有必要的话，可以通过在DPM模型设置面板中激活Interaction with Continuous Phase选项来开启双向耦合。双向耦合计算中连续相收敛要比单向计算困难，往往需要更多的迭代步，在计算的过程中，没有必要再每一个流动迭代步中计算DPM轨迹，通常在5-10个迭代步后更新粒子轨迹。

9 设置粒子分布直径

前面对于粒子直径采用常数，这里改为使用Rosin-Rammler分布。

R-R分布指的是颗粒质量分数与直径间的函数关系：

Y(d)=e−(d/d¯)nY(d)=e−(d/d¯)n

式中，d¯d¯为平均粒径

• 双击模型树节点Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0，如下图所示。
  
  
• 在弹出的对话框中进行如下设置
  • 设置Diameter Distribution为Rosin-rammler
  • 设置Min Diameter为1e-4
  • 设置Max Diameter为5e-4
  • 设置Mean Diameter为4e-4
  • 设置Number of Diameters为10
• 点击OK按钮确认操作并关闭对话框。如下图所示。
  
  

10 粒子追踪

• 采用第8步相同的方式进行Particle Tracks
  
  
  
  粒子追踪（颗粒停留时间）如下图所示。
  
  
  
  此时TUI窗口消息如下图所示。
  
  
  
  此时追踪的粒子数量变为了1580个，是因为在上一步中设置Number of Diameters为10，所以总的粒子数量为10×158=158010×158=1580个。

11 统计出口面上粒径分布

-鼠标点击模型树节点Results > Reports > Discrete Phase > Sample，如下图所示。

• 在弹出的对话框（如下图所示）中选择Boundaries为outlet，选择Release from Injections为injection-0，点击Compute按钮，如下图所示。
  
  
• 点击模型树节点Results > Reports > Discrete Phase > Histogram，弹出如下图所示的对话框。
• 点击Read…按钮，加载上一步生成的文件outlet.dpm
• 进行如下图所示设置。选择Sample为outlet，选择variable为diameter，选择weight为mass-flow
  
  
• 点击Plot按钮显示图像。如下图所示。（也可以将数据输出，然后用其他后处理工具绘图）
  
  

12 修改壁面边界以捕捉颗粒

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-fluid(wall)，弹出边界设置对话框
• 切换到DPM标签页，设置Boundary cond. Type为Trap，如下图所示
• 点击OK按钮关闭对话框
  
  

13 颗粒追踪

按第8步相同的方法进行粒子追踪。TUI窗口显示如下图所示的信息。



可以看出，释放了1580个颗粒，其中逃逸857个，捕捉723个。

颗粒追踪（粒子停留时间）如下图所示。

14 考虑湍流效应

• 双击模型树节点Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0，弹出如下图所示对话框。
• 切换至Turbulent Dispersion标签页，激活Discrete Random Walk Model，设置Number of Tries为10，点击OK按钮关闭对话框。
  
  
• 采用如步骤8所描述的粒子追踪方法。
  
  TUI窗口显示消息如下图所示。
  
  
  
  从图中可以看出，追踪颗粒数量变为了15800，其中逃逸5324，捕捉3591，追踪未完成6885

  追踪颗粒之所以变为了15800，是因为使用随机模型的时候设置了Number of Tries为10，故总颗粒数量为158×NumberofDiameters×NumberofTries158×NumberofDiameters×NumberofTries
  
  这里反映有未完成颗粒，可以通过增大Discrete Phase Model面板中的Max Number of Step来改善。该值默认为500。将此值增大至2000，则未完成颗粒消失。

15 考虑冲蚀

• 计算冲蚀必须使用双向耦合

• 为计算资源考虑，关闭Discrete Random Walk

• 双击模型树节点Discrete Phase，在弹出的对话框中进行如下图所示的设置。
  
  

• 进入Solution > Run Calculation节点，进行如下图所示设置。
  
  

  由于本例设置的颗粒材料为液滴，因此壁面采用的是Trap，若为固态颗粒计算冲蚀，则需要设置壁面行为为Reflect。实际计算时还需要对壁面DPM行为参数进行设置，这里采用默认参数。

16 后处理查看壁面冲蚀云图

• 双击模型树节点Results > Graphics > Contours ，弹出如下图所示对话框
• 在弹出的对话框中进行如下图所示设置
  
  
  
  点击Display按钮显示冲蚀云图，如下图所示。
  
  

17 导出数据到CFD-POST

dat文件中并没有包含DPM颗粒轨迹数据，因此需要采用导出的方式将颗粒轨迹导出到文件中。

• 利用菜单File > Export > Particle History Data，弹出如下图所示对话框
  
  
• 点击按钮Exported Particle Variables…，弹出如下图所示对话框，在对话框中Available Particle Variables列表项中选择需要导出的变量，点击按钮Add Variables将选择的变量添加到左侧的列表中，点击OK按钮关闭对话框。
  
  
• 返回到Export Particle History Data对话框，点击Write按钮输出颗粒轨迹数据。
• 关闭FLUENT返回至Workbench工程面板。

18 CFD-POST操作

• 从左侧的组件列表中选择Result拖拽至A3单元格上，双击工程面板中的B2单元格，进入CFD-POST环境
  
  
• 利用菜单File > Import > Import Fluent Particle Track File，如图所示
  
  
  
  打开如下图所示对话框，找到上一步导出的颗粒轨迹文件。
  
  
• 颗粒轨迹导入后，点击模型树节点FLUENT PT for Anthracite，在下方属性窗口中，设置Max Tracks为500

• 设置Color标签页下，进行如下图所示设置
  
  
• 点击Apply按钮，图形框显示粒子追踪图如下图所示。
  
  
  
  

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