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  • 第三章:使用ANSYS Fluent 群体平衡模块


    这一章讨论如何安装ANSYS Fluent群体平衡模块以及如何使用ANSYS Fluent群体平衡模块进行求解。在这里假定用户已经具有ANSYS Fluent的使用经验(例如具有自定义函数UDF的相关经验,其在ANSYS Fluent UDF Manual中有详尽的描述)。这一章我们讨论以下内容:
  • 3.1. 安装群体平衡模块
  • 3.2. 加载群体平衡模块
  • 3.3. 设置群体平衡模块
  • 3.1. 安装群体平衡模块

  • 用户的正版ANSYS Fluent中已经附带了群体平衡模块插件。
  • 3.2. 加载群体平衡模块

  • ANSYS Fluent群体平衡模块通过文本用户界面(TUI)加载。在加载前,用户需要设置好一个完整的算例。启动群体平衡模块的命令流为:

    define → models → addon-module

    这样,ANSYS Fluent会输出下列内容:



    键入“5”来选择Population Balance Model。在加载过程中,会自动加载一个文本图形交互界面以及一个UDF库函数。成功加载群体平衡模块的最后会显示:Addon Module: popbal...loaded!
  • 3.3. 设置群体平衡模块

  • 加载群体平衡模块后,需要选择mixture或者Eulerian多相流模型才会激活群体平衡模块并指定合适的参数以及边界条件。这一章我们讨论这些内容。在求解群体平衡模型的时候,强烈建议使用双精度版本。
    注意:

    即使用户模拟的工况具有多个离散相,群体平衡模块限制为只能在一个离散相中使用。另外,如果用户模拟三相气液固体系,群体平衡模块可以用与气相,其中固相充当催化剂。如果用户使用非均一离散法,则可以具有多个离散相。值得注意的是,使用群体平衡模型的离散相的物性应保持一致。
    更多信息可以查阅以下章节:
  • 3.3.1. 开启群体平衡模块
  • 3.3.2. 定义群体平衡模块边界条件
  • 3.3.3. 指定群体平衡模块求解参数
  • 3.3.4. 与流体动力学耦合
  • 3.3.5. 指定成核与增长的界面质量传递参数
  • 3.3.1. 开启群体平衡模块

  • 下面我们来讨论如何对群体平衡问题进行设定(注意,下面的讨论仅仅和群体平衡模块有关,其他模型、边界条件等的设置请参考ANSYS Fluent用户指南)。

    1.开启双精度ANSYS Fluent;

    2.加载群体平衡模块;
      务必选择mixture或者Eulerian多相流模型;

    3.打开Population Balance Model对话框,参见图3.1:

     

      图3.1:群体平衡模型对话框
     

    4.在method面板下指定群体平衡求解方法:

  • 如果选择Discrete,需要指定下述参数:

  •   kv:指定粒子的体系数,默认情况下为$π/6$。

      Definition:可通过Geometric RatioFile来指定。如果选择Geometric Ratio,则必须指定Ratio Exponent;如果指定为File,需要点击Load
      File
    …按钮并选择需要加载的bin的大小文件。

      用户也可以通过txt文本文件来输入粒径,每个粒径单独成行,从最小的粒径开始,每行一个数值直到最大的粒径。这种方式用户具有充分的自由来自定
      义粒径。   Bins:指定某粒径下bins的数量;

      Ratio Exponent:指定指数q(参见公式2.50的描述);

      Min Diameter:指定bins的最小直径$L_0=(V_0/K_v )^{1/3}$;

      Max Diameter:bins的最大直径(其通过计算而来)。

      如果用户想查看一系列bins的大小,可以在窗口中点击Print Bins。这样bins的大小就会一一列出(从大到小)。值得注意的是,只有选择了Geometric
      Ratio Definition,Print Bins才会开启。

  • 如果在Method下选择Inhomogeneous Discrete,用户需要进行和Discrete模型一样的参数配置。此外,用户也可以添加N个离散相的bins定义,这需要
      在Active Secondary Phases中定义离散相的数量;


  • 注意:

    如果用户选择Inhomogeneous Discrete,在通过Load File…读取bins文件的时候,必须要指定相名称。例如:((“air-1”) (0.1 0.2 0.3))。

  • 如果在Method下选择Standard Moment,用户需要在Parameters下指定Moments的数量;

  • 如果在Method下选择Quadrature Moment,用户需要在Parameters下指定Moments的数量(只能为2,4,或者6);

  • 如果在Method下选择DQMOM,用户需要在列表中选择DQMOM Phases并且指定下述参数:

  •   Max Size:指定粒子的最大尺寸;

      Min Size:指定粒子的最小尺寸;

      Reference Length:参考粒径大小。一般情况下为粒子群的平均大小;

      Min VOF:最小的相体积分数,当某个网格的相体积分数小于这个值的时候,聚并和破碎源项不参与DQMOM矩方程的计算;

      Max VOF Change/Time Step:DQMOM中每个时间步内VOF的最大变化率,其用来使得解更加光顺;

      Generate DQMOM Values:从PDF、CDF、或者矩文件中对DQMOM初始化。参见3.3.1.1节;


    注意:

    DQMOM严格限制为四相体系,其中的三个离散相场在DQMOM中直接计算求解。在考虑聚并和破碎效应的时候,需要开启非稳态计算,并且需要一个较好的初始场(确保DQMOM的节点不重合)。在DQMOM中,只考虑增长、破碎以及聚并效应。成核模型尚未植入。

    5.在Phase清单中,选择需要和群体平衡模型耦合的某一相;

    6.对于所有的群体平衡方法,用户都可以定义下述参数:

      Nucleation Rate:可以指定具体的成核速率(粒子数/m^3-s),其可以为constant类型,也可以为user-defined类型。如果用户选择constant,则需
      要指定一个具体的数值。如果用户选择使用自定义函数(UDF)来对成核速率模化,用户可以选择user-defined并且选择合适的UDF。


    注意:

    如果选择Inhomogeneous Discrete,不会激活此选项。

      Growth Rate:指定增长速率(m/s)。其可以为constant类型,也可以为user-defined类型。如果用户选择constant,则需要指定一个具体的数值。
      如果用户选择使用自定义函数(UDF)来对增长速率模化,用户可以选择user-defined并且选择合适的UDF。


    注意:

    如果选择Inhomogeneous Discrete,不会激活此选项。

      Aggregation Kernel:指定聚并核(m^3/s)。其可以为constant模型、luo-modelfree-molecular-modelturbulent-model、也可以为user-
      defined
    类型:

  • 如果用户选择constant,则需要指定一个具体的数值;

  • 如果用户选择luo-model,会自动开启Surface Tension for Population Balance对话框来指定表面张力。聚并率会依据Luo聚并核来进行计算;

  •   图3.2:群体平衡对话框内的表面张力设置模块
     

  • 如果用户选择turbulent-model,会自动开启Hamaker Constant for Population Balance对话框来指定Hamaker常数。更多的信息请参考方程2.39;

  •   图3.3:群体平衡对话框内的Hamaker常数设置模块
     

  • 如果用户打算用UDF来对聚并核进行模化,用户应该选择user-defined并指定具体的UDF;




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