DPM模型实战案例分析

关于DPM模型的设置,文章十六给出了一个简单的案例,文章十七介绍了DPM离散相界面的设置,本文通过一个案例来介绍DPM模型中Injection界面的设置,主要是颗粒粒径分布的设置。


1  概念介绍

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

本例的模型为反应器,如图所示。模型有一个进口和一个出口,含颗粒物的空气从进口流入计算域内,在反应器中进行混合后,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-3.85~2m,y方向-2.5~3m,z方向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,由于颗粒密度较大,考虑颗粒重力,设置重力方向:y负方向9.81m/s2。

6  设置计算模型

本例空气进口流速较大为15m/s,因此湍流模型选择为Realizable k-e湍流模型,标准壁面函数。

Realizable k-e湍流模型可以在雷诺应力上保持与真实湍流一致,能够更加精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度。


不考虑能量方程,因此能量方程保持关闭

离散相模型:打开离散相模型,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。

Injection Type栏可选择多种类型,如果选择Single,则颗粒会从某一点发射出。选择surface,表示颗粒从某一表明射出。

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此处保持默认

粒径分布:

颗粒粒径分布选择双R分布rosin-rammler。该粒径分布通过最小、最大粒径、平均粒径、扩散系数、粒径数量来描述

当我们已经知道颗粒粒径分布,如何转换为双R分布输入到Fluent中去呢?


如果我们知道的颗粒粒径分布,则知道最大、最小粒径和粒径数量,粒径分布如下时:


粒径范围/μm质量分数占比
0-700.05
70-1000.10
100-1200.35
120-1500.30
150-1800.15
180-2000.05

首先我们需要将其转换为累积质量分数的形式,如大于70μm的颗粒质量分数占比为1-0.05=0.95,大于100μm的颗粒质量分数占比为1-0.05-0.1=0.85,依次类推,可得到累积质量分数占比


粒径d/μm累积质量分数Yd
700.95
1000.85
1200.50
1500.20
1800.05
2000.00

双R分布中,假设Yd与粒径存在指数关系

其中d为颗粒粒径,为平均粒径,这里的平均粒径并非数学上的平均。

从上式可以看出,当d=时,Yd=e-1=0.368,也就是说,只要找到Yd=0.368对应的粒径,就能够找到平均粒径了。


由上表可知,Yd=0.368在120-150的粒径范围内,使用线性插值有


可得=133μm,(注:若不使用线性插值,则求出的平均粒径则不同)至此,我们得到了平均粒径。


接下来我们需要求解扩散系数n,由双R分布公式可以得到:


粒径d累积质量分数Ydn
700.954.63
1000.856.37
1200.503.56
1500.203.96
1800.053.63
2000.00
n的平均值4.43


计算各粒径对应的n值,最后取平均值,即为扩散系数spread parameter。注:由于大于200μm的粒径质量分数为0,因此其对应的n不存在,故计算n的平均值时,需舍弃该值。

最小、最大粒径、平均粒径、扩散系数、粒径数量输入双R分布中,即可完成粒径分布的输入

勾选Injection Using Face Normal Direction,表示颗粒射入方向与Surface垂直,因此粒径参数中,并没有对粒径速度方向的设置。颗粒流量为0.05kg/s,速度为15m/s

点击Turbulent Dispersion,勾选Discrete Random Walk Model,当流动为湍流,考虑到湍流对颗粒扩散的影响时,需要勾选此选项。Number of Tries设置为10,表示尝试次数,表示执行10此轨迹计算。


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,设置其密度为700kg/m3。



8 设置边界条件

inlet:采用velocity-inlet边界,速度为15m/s,DPM选项设置为escape

outlet:设置为pressure-outlet,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。

wall:wall边界,DPM栏离散相边界类型选择Trap

其他壁面如wall_pipe-part2,DPM栏离散相边界类型均选择为Reflect



9 求解方法

选择Coupled,Gradient栏选择Green-Gauss Cell Based,动量选择二阶迎风格式

Solution Controls设置Flow Courant Number为50

10 初始化

选择标准初始化,Compute From选择all-zones,单击Initialize,完成初始化




11 计算设置

设置计算步长100步

12 后处理

速度云图,选择对称面显示速度运动




颗粒轨迹,以颗粒粒径显示颗粒轨迹




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