【FLUENT案例】02：DPM模型

1 引子
1.1 案例描述
1.2 學習目標
1.3 模擬內容
2 啓動FLUENT並導入網格
3 材料設置
4 Cell Zones Conditions
5 Calculate
6 定義Injecions
7 定義DPM材料
8 顆粒追蹤
9 設置粒子分佈直徑
10 粒子追蹤
11 統計出口面上粒徑分佈
12 修改壁面邊界以捕捉顆粒
13 顆粒追蹤
14 考慮湍流效應
15 考慮沖蝕
16 後處理查看壁面沖蝕雲圖
17 導出數據到CFD-POST
18 CFD-POST操做

本案例延續案例1的模型及計算結果。

1 引子

1.1 案例描述

本案例描述瞭如何在FLUENT中使用DPM模型。在前面的案例中，模擬了T型管中的單相流動。本案例將使用相同的T型管模型，模擬顆粒進入T型管後的運動軌跡。

1.2 學習目標

本案例學習目標包括：

• 定義顆粒材料
• 向計算域中注入顆粒
• 使用常數或分佈函數定義顆粒粒徑
• 包含顆粒的隨機效應
• 預測管道壁面的沖蝕損傷

1.3 模擬內容

本案例模擬的是幾何模型與案例1相同，不過介質爲丙烷，同時還有水滴注入到計算域中。

• 模擬液滴被氣體帶入管道中的運動軌跡
• 使用分佈粒徑，預測固體壁面上的沖蝕（或附着）

2 啓動FLUENT並導入網格

採用案例1的Case，導入過程這裏不詳述。

3 材料設置

• 在FLUENT材料庫中添加材料Propane(c3h8)

4 Cell Zones Conditions

• 設置計算域材料爲Propane

5 Calculate

• 設置計算150步，獲取新的計算結果

6 定義Injecions

• 鼠標雙擊模型樹節點Discrete Phase > Injections，在彈出的對話框中選擇按鈕Create
  
• 在彈出的Set Injection Properties對話框中，進行以下圖所示的設置。
  

7 定義DPM材料

• 鼠標雙擊模型樹節點Materials > Inert Particle > anthracite，彈出材料屬性設置對話框，改變Density參數值爲1000，以下圖所示，點擊按鈕Change/Create並關閉對話框。
  

8 顆粒追蹤

• 鼠標雙擊模型樹節點Results > Graphics > Particle Tracks，彈出顆粒追蹤參數設置對話框
  
• 點擊對話框中的選項Draw Mesh前的複選框，彈出Mesh Display對話框，點擊Display按鈕。點擊Close按鈕關閉對話框。
  

• 返回Particle Tracks面板，選擇Release from Injections列表框中的injection-0，點擊按鈕Track進行粒子追蹤
  
  此時TUI窗口顯示信息如圖所示：
  

  圖中信息爲：追蹤粒子數量158個，其中逃逸158個，丟失0個，捕捉0個，蒸發0個，未完成0個

• 點擊Display按鈕，顯示粒子追蹤圖（顆粒停留時間），以下圖所示。
  

關於DPM的一些分析：
在本例中，液滴從」inlet-z」邊界釋放進入計算域，該邊界上有158個網格，追蹤158個軌跡

• 每個液滴直徑均爲 1×104m $1\times {10}^{4}m$，其密度爲 1000kg/m3 $1000kg/m3$，所以液滴質量爲 5.22×10−10kg $5.22\times {10}^{-10}kg$
• 這裏假設從相同位置以相同條件進入計算域的粒子具備相同的軌跡
• 計算中輸入的質量流量爲1kg/s，所以158個粒子用於表徵 1.2×107 $1.2\times {10}^7$個真實粒子（ 1/(5.22×10−10×158 $1/(5.22\times {10}^{-10}\times 158$)
• The droplet (or particle) progresses through the domain through a large number of small steps. At each step, the solver computes the force balance acting on a single droplet (diameter 1x10-4 m) – hence considering the drag with the surrounding fluid, droplet inertia, and if applicable gravity. The mass transported is that of all the droplets in that stream (1.2x107 droplets/sec).
• 液滴與連續相間能夠是單向耦合也能夠是雙向耦合。本案例採用的是單向耦合。
  • 單向耦合意味着流體能夠影響DPM粒子的動量及能量，可是DPM粒子運動不會影響到其周圍連續相的流場。所以能夠在後處理中計算DPM軌跡
  • 如有必要的話，能夠經過在DPM模型設置面板中激活Interaction with Continuous Phase選項來開啓雙向耦合。雙向耦合計算中連續相收斂要比單向計算困難，每每須要更多的迭代步，在計算的過程當中，沒有必要再每個流動迭代步中計算DPM軌跡，一般在5-10個迭代步後更新粒子軌跡。

9 設置粒子分佈直徑

前面對於粒子直徑採用常數，這裏改成使用Rosin-Rammler分佈。
R-R分佈指的是顆粒質量分數與直徑間的函數關係：

Y(d)=e−(d/d¯)n $$Y(d)=e^{-(d/\bar{d}{)}^n}$$

式中， d¯ $\bar{d}$爲平均粒徑

• 雙擊模型樹節點Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0，以下圖所示。
  
• 在彈出的對話框中進行以下設置
  • 設置Diameter Distribution爲Rosin-rammler
  • 設置Min Diameter爲1e-4
  • 設置Max Diameter爲5e-4
  • 設置Mean Diameter爲4e-4
  • 設置Number of Diameters爲10
• 點擊OK按鈕確認操做並關閉對話框。以下圖所示。
  

10 粒子追蹤

• 採用第8步相同的方式進行Particle Tracks
  
  粒子追蹤（顆粒停留時間）以下圖所示。
  
  此時TUI窗口消息以下圖所示。
  
  此時追蹤的粒子數量變爲了1580個，是由於在上一步中設置Number of Diameters爲10，因此總的粒子數量爲 10×158=1580 $10\times 158=1580$個。

11 統計出口面上粒徑分佈

-鼠標點擊模型樹節點Results > Reports > Discrete Phase > Sample，以下圖所示。

• 在彈出的對話框（以下圖所示）中選擇Boundaries爲outlet，選擇Release from Injections爲injection-0，點擊Compute按鈕，以下圖所示。
  
• 點擊模型樹節點Results > Reports > Discrete Phase > Histogram，彈出以下圖所示的對話框。
• 點擊Read…按鈕，加載上一步生成的文件outlet.dpm
• 進行以下圖所示設置。選擇Sample爲outlet，選擇variable爲diameter，選擇weight爲mass-flow
  
• 點擊Plot按鈕顯示圖像。以下圖所示。（也能夠將數據輸出，而後用其餘後處理工具繪圖）
  

12 修改壁面邊界以捕捉顆粒

• 鼠標雙擊模型樹節點Boundary Conditions > wall-fluid(wall)，彈出邊界設置對話框
• 切換到DPM標籤頁，設置Boundary cond. Type爲Trap，以下圖所示
• 點擊OK按鈕關閉對話框
  

13 顆粒追蹤

按第8步相同的方法進行粒子追蹤。TUI窗口顯示以下圖所示的信息。

能夠看出，釋放了1580個顆粒，其中逃逸857個，捕捉723個。
顆粒追蹤（粒子停留時間）以下圖所示。

14 考慮湍流效應

• 雙擊模型樹節點Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0，彈出以下圖所示對話框。
• 切換至Turbulent Dispersion標籤頁，激活Discrete Random Walk Model，設置Number of Tries爲10，點擊OK按鈕關閉對話框。
  
• 採用如步驟8所描述的粒子追蹤方法。
  TUI窗口顯示消息以下圖所示。
  
  從圖中能夠看出，追蹤顆粒數量變爲了15800，其中逃逸5324，捕捉3591，追蹤未完成6885

  追蹤顆粒之因此變爲了15800，是由於使用隨機模型的時候設置了Number of Tries爲10，故總顆粒數量爲 158×NumberofDiameters×NumberofTries $158\times NumberofDiameters\times NumberofTries$
  這裏反映有未完成顆粒，能夠經過增大Discrete Phase Model面板中的Max Number of Step來改善。該值默認爲500。將此值增大至2000，則未完成顆粒消失。

15 考慮沖蝕

• 計算沖蝕必須使用雙向耦合

• 爲計算資源考慮，關閉Discrete Random Walk

• 雙擊模型樹節點Discrete Phase，在彈出的對話框中進行以下圖所示的設置。
  

• 進入Solution > Run Calculation節點，進行以下圖所示設置。
  

  因爲本例設置的顆粒材料爲液滴，所以壁面採用的是Trap，若爲固態顆粒計算沖蝕，則須要設置壁面行爲爲Reflect。實際計算時還須要對壁面DPM行爲參數進行設置，這裏採用默認參數。

16 後處理查看壁面沖蝕雲圖

• 雙擊模型樹節點Results > Graphics > Contours ，彈出以下圖所示對話框
• 在彈出的對話框中進行以下圖所示設置
  
  點擊Display按鈕顯示沖蝕雲圖，以下圖所示。
  

17 導出數據到CFD-POST

dat文件中並無包含DPM顆粒軌跡數據，所以須要採用導出的方式將顆粒軌跡導出到文件中。

• 利用菜單File > Export > Particle History Data，彈出以下圖所示對話框
  
• 點擊按鈕Exported Particle Variables…，彈出以下圖所示對話框，在對話框中Available Particle Variables列表項中選擇須要導出的變量，點擊按鈕Add Variables將選擇的變量添加到左側的列表中，點擊OK按鈕關閉對話框。
  
• 返回到Export Particle History Data對話框，點擊Write按鈕輸出顆粒軌跡數據。
• 關閉FLUENT返回至Workbench工程面板。

18 CFD-POST操做

• 從左側的組件列表中選擇Result拖拽至A3單元格上，雙擊工程面板中的B2單元格，進入CFD-POST環境
  
• 利用菜單File > Import > Import Fluent Particle Track File，如圖所示
  
  打開以下圖所示對話框，找到上一步導出的顆粒軌跡文件。
  
• 顆粒軌跡導入後，點擊模型樹節點FLUENT PT for Anthracite，在下方屬性窗口中，設置Max Tracks爲500

• 設置Color標籤頁下，進行以下圖所示設置
  
• 點擊Apply按鈕，圖形框顯示粒子追蹤圖以下圖所示。
  
  

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