Fluent模拟液体喷雾蒸发过程

1. 概念

液体喷雾蒸发现象是生活中常见到的一种现象,广泛应用于化工行业,对Fluent进行设置可模拟这类现象。

2. 模型描述

本案例模拟甲醇在鼓风雾化器中的雾化,甲醇在被引入鼓风雾化器之前被冷却到-10℃。雾化器中有一股环形旋转的气流。同时为了简化模型,本模型使用了旋转周期性网格,只画了1/12即30°的模型。



3. 基本设置

3.1 导入网格:

使用Fluent软件打开Chapter34.msh.gz网格文件,文件在本文末尾链接资源内。



3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸保持默认即可,关于scale mesh详细设置查看Chapter31 Fluent空化模型


3.3 求解器设置

基于压力求解器,稳态设置



4. 设置计算模型

4.1 能量方程

打开能量方程


4.2 湍流模型设置


4.3 组分输运模型

打开组分输运模型,将mixture material更改为methyl-alcohol-air(甲醇空气混合物)

  注:默认情况下这里的材料为mixture-template,想要出现methyl-alcohol-air需要在material面板下进行设置。设置好后此处才可选择methyl-alcohol-air



5. 材料设置

5.1 添加methyl-alcohol-air材料

Materials-Mixture


  在Materials下,单击Mixture...,弹出如下面板,


单击Fluent Database,找到methyl-alcohol-air,点击copy



5.2 修改methyl-alcohol-air组分

单击copy后,回到methyl-alcohol-air属性设置界面。单击Mixture Species后的Edit


在Selected Species栏下将h2o和co2移出,表示methyl-alcohol-air混合物组分只有ch3oh、o2、n2



6. 边界条件设置



6.1 周期性边界条件

分别单击Periodic的periodic-a和periodic-b,将Periodic Type栏改为Rotational,这里主要是将两个周期性边界改为旋转周期性,默认为平移性周期。


6.2 inlet边界设置

选择central_air,将边界类型改为质量流量入口mass flow inlet,双击central_air边界,弹出如下界面


Mass flow Rate:输入9.167e-5

  Direction Specification Method:选择Direction Vector。X和Y方向输入为0,Z方向输入1,表示流动方向为Z方向


  Specification Method:选择 Intensity and Hydraulic Diameter

  Turbulent Intensity:输入10 .

  Hydraulic Diameter:输入0.0037m

  注:湍流边界具体设置可查看文章Chapter33
三十三、Fluent边界条件湍流参数设置详解


  单击Thermal 栏,在Total Temperature输入温度293K

  单击Species 栏,在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23


  注:通过5材料设置可知,methyl-alcohol-air混合物组分只有ch3oh、o2、n2三种,其中o2组分质量分数设置为0.23,ch3oh质量分数设置为0,则n2质量分数为1-0.23。





  选择co-flow-air,将边界类型改为速度入口Velocity inlet,双击co-flow-air边界,弹出如下界面


Velocity Magnitude速度大小设置为1m/s

  Specification Method:选择 Intensity and Hydraulic Diameter

  Turbulent Intensity:输入5

  Hydraulic Diameter:输入0.0726m


  单击Thermal 栏,在Total Temperature输入温度293K

  单击Species 栏,在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23


  选择swirling_air,将边界类型改为速度入口Velocity inlet,双击swirling_air边界,弹出如下界面


Velocity Specification Method:速度设置方法设置为Magnitude and Direction,表示通过设置速度大小和方向设置速度

  Velocity Magnitude速度大小设置为19m/s

  Coordinate System坐标系:选择Cylindrical (Radial, Tangential, Axial) 柱坐标。

  Radial-Component of Flow Direction设置为0,径向速度分量设置为0;

  Tangential-Component of Flow Direction设置为0.7071,切向速度分量设置为0.7071;

  Axial-Component of Flow Direction设置为0.7071,轴向速度分量设置为0.7071;

  Specification Method:选择 Intensity and Hydraulic Diameter

  Turbulent Intensity:输入5

  Hydraulic Diameter:输入0.0043m


  单击Thermal 栏,在Total Temperature输入温度293K

  单击Species 栏,在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23



6.3 wall边界设置

选择outer-wall,将边界类型改为速度入口wall,双击outer-wall边界,弹出如下界面


在Shear Condition 勾选Specified Shear,其余参数保持默认值。


7. 求解方法(不含液滴)

7.1 求解方法

Solution-Solution Methods



7.2 求解控制

Solution-Solution Controls


  保持默认即可


7.3 残差设置

残差设置保持默认即可


8. 初始化

选择Hybrid Initialization


注:对于复杂模型的流场,混合初始化比标准初始化更好,能够提供更好的速度场和压力场,有助于提高收敛性。

9. 计算设置

Time Step Method 设置为User-Specified 用户自定义,伪时间步长Pseudo Time Step Size设置为1s,迭代次数设置为150步


10. 后处理

10.1 新建剪切面

Results → Surface → Create → Iso-Surface...


New Surface Name:输入新建面的名称为angle=15 .

  Surface of Constant栏:选择 Mesh...and Angular Coordinate

  点击Compute计算最大最小的角度值.

   Iso-Values:输入15


10.2 速度云图

想要出现入口方向箭头,需要勾选Draw mesh


速度云图




10.3 旋转环形空气流迹线

周期性显示设置View-views-Periodic Repeats-Define


单击Define,显示下图,


从Associated Surfaces 选择 atomizer-wall

  Periodic Type 选择 Rotational

  Number of Repeats设置为12


  注:这部分的设置主要是显示周期性网格,从Associated Surfaces中选择某些面表示对这些面进行周期性显示,Periodic Type 选择 Rotational 表示旋转周期,Number of Repeats设置为12表示显示12个周期,由于模型只有30°,因此12个周期为一个完整的圆。

  pathlines显示
Results → Graphics → Pathlines → New...




  Draw mesh主要是为了显示部分物理模型,Path Skip设置为5,用于简化迹线数量。Release from Surfaces 选择swirling_air,表示显示swirling_air部分的迹线




11.创建Spray Injection

Physics → Models → Discrete Phase...

回到Models界面,双击 Discrete Phase,弹出如下界面


勾选Interaction with Continuous Phase,考虑离散相轨迹对连续相的影响


  DPM Iteration Interval:输入10

  在Contour Plots for DPM Variables栏勾选Mean Values,后处理界面使用平均值显示

  勾选Unsteady Particle Tracking

  Particle Time Step Size:输入0.0001

  Number of Time Steps:输入10


在Physical Models栏,勾选 Temperature Dependent Latent Heat 和Breakup


  注:勾选Temperature Dependent Latent Heat ,表示考虑液滴温度对潜热的影响;勾选Breakup表示考虑液滴的破碎


在Numerics栏, 勾选Linearize Source Terms (Source Terms group),使源项线性化,可加快收敛

  单击上面界面的Injections...


单击Create,开始创建液滴喷射入口injection


在Set Injection Properties 界面:

  Injection Type:选择 air-blast-atomizer鼓风雾化器

  Number of Streams:输入600,表示每个时间步有600个液滴颗粒喷射进计算域

  Particle Type :勾选Droplet

  Material drop-down list:勾选methyl-alcohol-liquid


  在Point Properties栏:

  保持 X-Position和Y-Position为默认值0

  Z-Position:输入0.0015

  X-Axis, Y-Axis和Z-Axis:分别设置为0,0,1

  Temperature:输入263 K

   Flow Rate:输入8.5e-5 kg/s

  Start Time:0 s

  Stop Time:100 s


  Injector Inner Diameter:0.0035m

  Injector Outer Diameter:0.0045m


  Spray Half Angle:45 degrees,喷射角是液层轨迹与喷射器中心线之间的夹角。

  Relative Velocity:82.6 m/s,相对速度是雾化空气和液层之间的预期相对速度。

   Azimuthal Start Angle :保持默认0

   Azimuthal Stop Angle:设置30,由于模型只构建了30°,因此喷射角度只有30°


在Physical Models栏下:

  勾选Enable Breakup

  Breakup Model:选择TAB

  y0和Breakup Parcels:保持默认值;分别为0和2

  Drag Law:选择dynamic-drag


在Turbulent Dispersion栏

  勾选Discrete Random Walk Model和Random Eddy Lifetime,这些模型将考虑液滴的湍流扩散


12. 设置液滴材料属性

Setup → Materials → methyl-alcohol-liquid → Create/Edit...

回到材料设置界面,双击methyl-alcohol-liquid


弹出如下界面


Material Type:选择droplet-particle

  Viscosity:0.00095 kg/m-s

  Saturation Vapor Pressure:选择piecewise-linear

  Vaporization/Boiling Model:选择convection/diffusion-controlled

  点击Change Create,并关闭此窗口


13. 求解方法(含液滴)

求解控制,将离散相的松弛因子设置为0.9


14. 残差设置


勾选Show Advanced Options,Convergence Criterion 选择none,每个时间步不检查收敛性


15. 计算设置

与9. 计算设置相同,计算300步



16. 后处理设置(带液滴)

16.1 查看液体粒子轨迹

Results → Graphics → Particle Tracks → New...


Particle Tracks Name:particle-tracks-droplets

  勾选 Draw Mesh,弹出mesh窗口,保持默认即可

  Particle Variables...勾选Particle Diameter


  Release from Injections:勾选 injection-0

  单击Save/Display,则显示下图


注:想要不显示完整的雾化器模型,需要在View-Views-Periodic RepeatsJ进行设置


16.2 查看索特平均直径

Results → Graphics → Contours → New...


Contour Name:输入contour-dpm-sauter-diameter

  Contours of:分别选择 Discrete Phase Variables... 和 DPM D32

  Surfaces:选择angle=15


16.3 查看DPM平均速度

Results → Graphics → Vectors → New...


Vector Name:输入vector-dpm-vel

  Vectors of:选择dpm-mean-velocity

  Color by:分别选择 Discrete Phase Variables... 和DPM Velocity Magnitude

  Style:选择arrow

  Scale:输入7

  Surfaces:选择angle=15

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