Fluent多相流模型选择指南：从理论到实践

计算流体力学的发展为进一步了解多相流的动力学特性提供了基础。目前多相流数值计算主要有两种方法:欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法。

01— fluent中的多相流模型

在欧拉-欧拉方法中，不同的相在数学上被视为相互渗透的连续相。由于某一相的体积不能被其他相所占据，因此引入了相体积分数的概念。假设这些体积分数是空间和时间的连续函数，它们的和等于1。推导出各相的守恒方程，得到各相具有相似结构的方程组。这些方程通过提供从经验获得的本构关系而封闭，或者，在粒状流动的情况下，通过动力学理论的应用而封闭。在 ANSYS Fluent中，提供了三种欧拉多相流模型: volume of fluid (VOF) 模型, mixture模型, 和 Eulerian 模型。
 

• VOF模型

VOF模型是一种应用于固定欧拉网格的表面跟踪技术。VOF模型用于两种或多种不混溶的流体，而流体之间的界面位置是我们感兴趣的。在VOF模型中，流体共享一组动量方程，并且在整个域中跟踪每个计算单元中每种流体的体积分数。VOF模型可应用于： 分层流动、自由表面流动、填充、晃动、大气泡在液体中的运动、溃坝后液体的运动、射流破裂的预测(表面张力)以及任何液-气界面的稳态或瞬态跟踪。

• Mixture模型

混合模型可用于两种或两种以上的相(流体或颗粒)。在欧拉模型中，相被视为相互渗透的连续体。混合模型求解混合动量方程，用相对速度来描述分散相。混合模型可应用于： 低负荷颗粒流、气泡流、沉降和旋风分离器。混合模型也可以用于没有相对速度的分散相来模拟均匀多相流。
     

• Eulerian模型

欧拉模型是ANSYS Fluent中最复杂的多相流模型。它要为每一项求解一系列的动量和连续性方程。通过压力和相间交换系数实现了耦合。处理这种耦合的方式取决于所涉及相的类型:颗粒状(流体-固体)流动与非颗粒状(流体-流体)流动的处理方法不同。对于粒状流动，应用动力学理论得到颗粒流的性质。两相之间的动量交换也取决于所模拟的混合物的类型ANSYS Fluent的用户定义函数可用来定义计算动量交换。欧拉多相流模型可应用于： 气泡塔、提升器、颗粒悬浮和流化床。
     

02— 多相流模型的对比

一般情况下，一旦确定了最能代表你的多相系统的流型，就可以根据以下指导原则选择合适的模型:
     

• 对于相混合或分散相体积分数超过10%的含气泡、液滴和颗粒流，使用混合物模型或欧拉模型。
• 对于段塞流，使用VOF模型。
• 对于分层/自由表面流，使用VOF模型。
• 对于气动输送，对于均匀流使用混合物模型，对于颗粒流使用欧拉模型。
• 对于流化床和颗粒流使用欧拉模型。
• 对于浆体流动和水力输送，使用混合模型或欧拉模型。
• 对于沉降，使用欧拉模型。
• 对于涉及多种流态的复杂多相流，选择最感兴趣的流态，并选择最适合该流态的模型。注意，由于所使用的模型仅对模型的部分流动有效，因此结果的准确性将不如只涉及一个流动模式那么好。

正如本节所讨论的，VOF模型适用于分层或自由表面流动，混合和欧拉模型适用于相混合或分离或分散相体积分数超过10%的流动。（离散相体积分数小于或等于10%的流动可以用离散相模型来建模。）

要在混合模型和欧拉模型之间进行选择，你应考虑以下准则:

如果分散相分布较广(如果颗粒大小不同，且最大的颗粒没有从一次流场分离)，混合模型可能更好(计算成本较低)。如果分散相只集中在域的一部分，那么应该使用欧拉模型。

适用于系统的相间阻力定律是可用的(可以在ANSYS Fluent中使用，也可以通过用户定义的函数使用)，欧拉模型通常比混合模型提供更准确的结果。尽管你可以对混合模型应用相同的阻力定律，就像你可以对非颗粒欧拉模拟一样，如果相间阻力定律未知或者它们对系统的适用性值得怀疑，混合模型可能是一个更好的选择。大多数情况下，对于球形颗粒，Schiller-Naumann定律是足够的。对于非球形粒子，可以使用用户定义的函数。

如果你想求解一个更简单的问题，需要较少的计算量，混合模型可能是一个更好的选择，因为它求解的方程比欧拉模型少。如果精度比计算量更重要，欧拉模型是一个更好的选择。然而，欧拉模型的复杂性使其计算稳定性低于混合模型。

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