DPM模型解析:颗粒流动特性与模拟

颗粒流动问题是很多同学目前正在研究的问题,这类问题一般来说都比较复杂,Fluent提供了多种模型对这类问题进行模拟,包括DPM、DDPM、DEM、PBM等,上述的每种模型都有其适用的工况,并不通用,这次我们介绍一下DPM模型。



由于DPM的复杂性,本文只对Fluent中DPM的操作进行一些简单的设置,一些设置的具体依据,我们在下一次文章中详细讲解一下。


1 概念介绍

首先我们介绍一下拉格朗日法和欧拉法,理解起来很简单,拉格朗日法是以某一质点的运动作为研究对象,观察这一质点在流场中由一点移动到另一点时,其运动参数的变化规律;欧拉法以某一流场区域作为研究对象,研究各时刻质点在流场中的变化规律。


显然,拉格朗日法更适用于描述颗粒运动,而欧拉法更适用于描述流体运动。DPM模型就是基于这两种方法进行流体相和颗粒相的模拟,它使用欧拉法描述流体运动,使用拉格朗日法描述颗粒运动。  

 

DPM适用条件:DPM模型只适用于颗粒相体积分数小于10%,同时不考虑颗粒体积。不考虑颗粒和颗粒之间的相互作用力,但可以考虑颗粒和流体之间的相互作用。                                  


2 模型描述

本例的模型采用三通管模型,如图所示。模型有两个入口和一个出口,分别为INLET_Y、INLET_Z和OUTLET,含颗粒物的空气从INLET_Z进口流入计算域内,最后经OUTLET流出。



3 导入网格

使用Workbench打开工程文件,文件在本文末尾链接资源内。



4 Scale网格尺寸

Scale修改网格尺寸。如图所示。

确保计算域尺寸是我们所需要的。本例中x方向尺寸-0.038~0.038m,y方

向-0.2~0.2m,z方向-0.038~0.2m


5 设置求解器

选择压力基(pressure-based)求解器,同时选择稳态模拟,不考虑考虑重力。


6 设置计算模型

多相流模型不必打开,不考虑能量方程。湍流模型为标准的k-e模型,增强的壁面函数,打开Discrete Phase模型。

不勾选Interaction with Continuous Phase,不考虑颗粒相和流体相之间的相互作用。其余选择均保持默认。单击下面的Injections,弹出下图单击Create,创建颗粒入射口。


单击Create,创建颗粒入射口。Injection Type选择surface,表示从模型面入射,Release From Surface选择inlet_z。Particle Type选择Inert(惰性颗粒) ,可考虑各类力和传热,但自身不会因为热量而参与反应


颗粒Material可由工况自行选择,此处保持默认;颗粒粒径分布选择uniform,表示颗粒直径均相同;Point Properties下Variable将颗粒入射速度调整为沿z轴负方向为1m/s,其余方向上没有速度。直径及流量分别设置为1e-4m和1kg/s;

勾选Scale Flow Rate by Face Area,表示将按照入射表面网格面积尺寸分配颗粒,不勾选则均匀分配


7 材料设置

对于连续相,选择空气即可,空气属性保持默认。对于颗粒材料,也可在此处进行设置,本例保持默认。


8 设置边界条件

Inlet_y:采用velocity-inlet边界,速度为0.3m/s,温度288K

Inlet_z:采用velocity-inlet边界,速度为0.1m/s,温度298K

outlet:设置为pressure-outlet,回流温度设置为300K,DPM栏离散相边界类型选择escape,表示颗粒脱离边界,离开计算域。

将其他类型整理如下:


EscapeTrapReflectWall jetWall film
离开计算域被壁面捕获被壁面反弹类似无粘性冲击壁面类似wall jet,但考虑液膜

wall:wall边界,恒热流,DPM栏离散相边界类型选择Reflect



9 求解方法

选择Coupled,伪瞬态求解

Solution Controls保持默认


10 初始化

选择混合初始化,单击Initialize,完成初始化


11 计算设置

设置计算步长100步


12 颗粒轨迹图




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