【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 啟動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 設置粒子分布直徑
10 粒子追蹤
11 統計出口面上粒徑分布
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 后處理查看壁面沖蝕雲圖
17 導出數據到CFD-POST
18 CFD-POST操作

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

本案例描述了如何在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型管后的運動軌跡。

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
• 使用常數或分布函數定義顆粒粒徑
• 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，不過介質為丙烷，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
• 使用分布粒徑，預測固體壁面上的沖蝕（或附着）

2 啟動FLUENT並導入網格

采用案例1的Case，導入過程這里不詳述。

3 材料設置

• 在FLUENT材料庫中添加材料Propane(c3h8)

4 Cell Zones Conditions

• 設置計算域材料為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，進行如下圖所示的設置。
  

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參數值為1000，如下圖所示，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前的復選框，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：
  

  圖中信息為：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），如下圖所示。
  

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

• 每一個液滴直徑均為 1×104m $1\times {10}^{4}m$，其密度為 1000kg/m3 $1000kg/m3$，因此液滴質量為 5.22×10−10kg $5.22\times {10}^{-10}kg$
• 這里假設從相同位置以相同條件進入計算域的粒子具有相同的軌跡
• 計算中輸入的質量流量為1kg/s，因此158個粒子用於表征 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).
• 液滴與連續相間可以是單向耦合也可以是雙向耦合。本案例采用的是單向耦合。
  • 單向耦合意味着流體可以影響DPM粒子的動量及能量，但是DPM粒子運動不會影響到其周圍連續相的流場。因此可以在后處理中計算DPM軌跡
  • 若有必要的話，可以通過在DPM模型設置面板中激活Interaction with Continuous Phase選項來開啟雙向耦合。雙向耦合計算中連續相收斂要比單向計算困難，往往需要更多的迭代步，在計算的過程中，沒有必要再每一個流動迭代步中計算DPM軌跡，通常在5-10個迭代步后更新粒子軌跡。

9 設置粒子分布直徑

前面對於粒子直徑采用常數，這里改為使用Rosin-Rammler分布。
R-R分布指的是顆粒質量分數與直徑間的函數關系：

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

式中， d¯ $\bar{d}$為平均粒徑

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

10 粒子追蹤

• 采用第8步相同的方式進行Particle Tracks
  
  粒子追蹤（顆粒停留時間）如下圖所示。
  
  此時TUI窗口消息如下圖所示。
  
  此時追蹤的粒子數量變為了1580個，是因為在上一步中設置Number of Diameters為10，所以總的粒子數量為 10×158=1580 $10\times 158=1580$個。

11 統計出口面上粒徑分布

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

• 在彈出的對話框（如下圖所示）中選擇Boundaries為outlet，選擇Release from Injections為injection-0，點擊Compute按鈕，如下圖所示。
  
• 點擊模型樹節點Results > Reports > Discrete Phase > Histogram，彈出如下圖所示的對話框。
• 點擊Read…按鈕，加載上一步生成的文件outlet.dpm
• 進行如下圖所示設置。選擇Sample為outlet，選擇variable為diameter，選擇weight為mass-flow
  
• 點擊Plot按鈕顯示圖像。如下圖所示。（也可以將數據輸出，然后用其他后處理工具繪圖）
  

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標簽頁，設置Boundary cond. Type為Trap，如下圖所示
• 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窗口顯示如下圖所示的信息。

可以看出，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）如下圖所示。

14 考慮湍流效應

• 雙擊模型樹節點Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0，彈出如下圖所示對話框。
• 切換至Turbulent Dispersion標簽頁，激活Discrete Random Walk Model，設置Number of Tries為10，點擊OK按鈕關閉對話框。
  
• 采用如步驟8所描述的粒子追蹤方法。
  TUI窗口顯示消息如下圖所示。
  
  從圖中可以看出，追蹤顆粒數量變為了15800，其中逃逸5324，捕捉3591，追蹤未完成6885

  追蹤顆粒之所以變為了15800，是因為使用隨機模型的時候設置了Number of Tries為10，故總顆粒數量為 158×NumberofDiameters×NumberofTries $158\times NumberofDiameters\times NumberofTries$
  這里反映有未完成顆粒，可以通過增大Discrete Phase Model面板中的Max Number of Step來改善。該值默認為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

• 為計算資源考慮，關閉Discrete Random Walk

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

• 進入Solution > Run Calculation節點，進行如下圖所示設置。
  

  由於本例設置的顆粒材料為液滴，因此壁面采用的是Trap，若為固態顆粒計算沖蝕，則需要設置壁面行為為Reflect。實際計算時還需要對壁面DPM行為參數進行設置，這里采用默認參數。

16 后處理查看壁面沖蝕雲圖

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

17 導出數據到CFD-POST

dat文件中並沒有包含DPM顆粒軌跡數據，因此需要采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，彈出如下圖所示對話框
  
• 點擊按鈕Exported Particle Variables…，彈出如下圖所示對話框，在對話框中Available Particle Variables列表項中選擇需要導出的變量，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操作

• 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
  
  打開如下圖所示對話框，找到上一步導出的顆粒軌跡文件。
  
• 顆粒軌跡導入后，點擊模型樹節點FLUENT PT for Anthracite，在下方屬性窗口中，設置Max Tracks為500

• 設置Color標簽頁下，進行如下圖所示設置
  
• 點擊Apply按鈕，圖形框顯示粒子追蹤圖如下圖所示。
  
  

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