CFD研究方法需要较少的时间和费用投入,克服了理论分析和实验方法的缺点,具有很高的准确性,所以,在流体动力学研究中,CFD方法 论在发挥越来越重要的作用[1]。
01 欧拉-拉格朗日模型
欧拉-拉格朗日模型是把流体相作为连续相,运用欧拉法创立流体相的连续性、动量以及能量守恒方程。大量的气泡,液滴或者粒子作为离散相,建立离散相的拉格朗日方程。
02欧拉-欧拉模型
Euler-Euler法是将气泡等分散相和液相流体均看作拟连续介质,气泡和流体是共同独立存在的拟流体并且相互之间能够相互渗透,而在Euler坐标系下需要与连续流体相似的控制守恒方程分别对气、液两相进行表示。该模型也被称作双流体模型。Euler-Euler方法在计算量上比Euler-Lagrange法要小的多,FLUENT中有三种Euler-Euler多相流模型:VOF (Volume of Fluid) 模型、混合 (Mixture) 模型和Euler模型。
VOF模型
VOF模型是一种表面追踪方式,该模型以欧拉坐标系为基础。如果要求模拟不相容流体的交界面性质是可选用此模型[2]。通常在FLUENT中应用VOF模型时大部分解决瞬态问题,当然也能应用VOF解决稳态流场问题,如图1所示。此外,用户在使用VOF模型时会受到一定条件的限制:
图1 VOF相成分分布
混合模型
混合 (Mixture) 模型是一种被简化了的多相流模型,大多数被用于模拟不同相之间,具有不同速度的多相流动问题,应用混合模型时假设不同相之间存在强耦合的小尺度空间上的局部平衡,如图2所示。在一些情况下,混合模型和欧拉多相流模型是很好的可以相互替代的模型。但是,使用混合模型时会有一定的限制:
图2 Mixture相成分分布
欧拉模型
欧拉模型用于处理复杂流体运动问题。气泡流问题、上浮问题、颗粒悬问题以及流化床问题等,常常应用欧拉模型来解决,如图3所示。同时,研究者们在应用欧拉多相流模型也存一定的局限:
在欧拉-欧拉模型中,假设不同阶段是可以彼此散布的不间断的统一体,相体积不能被其他相所取代,以获得相分数体积的概念。
图3 欧拉相成分分布
03 湍流模型
湍流属于高度非线性的复杂流动,而且通过指定的数值方法对湍流进行数值模拟就可以使模拟结果与实际情况达到基本吻合。本小节将介绍关于湍流的各种数值模拟方法。
湍流模型Spalart-Allmaras模型、Standard k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、v2-f模型、RSM模型和LES模型这几种,但使用比较多的湍流模型为以下三种:
标准 k-ε模型
标准k-ε模型是由Launder 和Spalding 共同提出。模型本身的稳定性、经济性和相对较高的计算精度,使其成为湍流模型中使用最广泛且最知名的模型。k-ε模型用于求解湍流动能 (k) 方程和湍流耗散率 (ε) 方程,得到k与ε的解,然后通过k与ε的值计算得到湍流粘度。而雷诺应力解是通过Boussinesq假设解得到的。
RNG k-ε模型
RNG k-ε模型在形式上与标准k-ε模型相类似,但是在计算功能上要强于标准k-ε模型,其主要改进措施有:
Realizable k-ε模型与标准k-ε模型的主要区别是:
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