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Fluent案例|欧拉颗粒流传热

内容纲要

本教程研究在均匀的最小流化条件下,热气体流化床中空气和由玻璃颗粒组成的粒状固相的流动。将 Fluent 中获得的局部壁到床传热系数的结果与文献分析结果进行比较。

注:本文为 Fluent Tutorials 25。相关文件可从官网自行下载。本文内容采用Claude2全文翻译,文字没有经过核对。

1 案例介绍

本教程演示以下操作:

  1. 使用欧拉颗粒模型
  2. 设置内部流动的边界条件
  3. 编译气相和固相导热系数的用户自定义函数 (UDF)
  4. 使用压力基求解器进行求解

2 问题描述

这个问题考虑一个热气体流化床,其中空气向上流经区域的底部,并通过一个加热壁旁边的一个额外的小孔。

案例的几何形状及边界条件数据如图所示。

3 Fluent求解设置

3.1 启动Fluent

  1. 启动 Fluent。
  2. 在左上角的选择列表中选择 Solution 以在Solution 模式下启动 Fluent。
  3. Dimension 下选择 2D
  4. Options 下启用 Double Precision

注意: 多相流仿真建议使用双精度求解器。

3.2 读取网格

  1. 利用菜单File → Read → Mesh... 读取网格文件 fluid-bed.msh
  2. 点击按钮Domain → Mesh → Check → Perform Mesh Check检查网格。

确认网格最小体积是正值。

注意:可以使用右键在图形窗口中单击以检查每个边界对应的区域编号。如果在图形窗口中的边界之一上单击右键,其区域编号、名称和类型将输出在 Fluent 控制台中。当计算模型中存在几个相同类型的区域并希望快速区分它们时,此功能特别有用。

3.3 General设置

  • 选择模型树节点Setup → General,启用压力基瞬态求解器。
    1. Type 保留默认选择 Pressure-Based。多相流计算必须使用压力基求解器。
    2. Time 列表中选择 Transient
    3. 激活选项Gravity
    4. 指定Gravitational AccelerationY方向-9.81 m/s 2

3.4 Models设置

  1. 右键模型树节点Setup → Models → Multiphase,点击弹出菜单项Eulerian启用欧拉多相模型,采用默认设置

使用欧拉模型的默认设置,因此可以通过右键单击Multiphase 节点并从上下文菜单中选择Eulerian来直接启用它。

  1. 双击模型树节点Setup → Models → Energy → On通过启用Energy方程启用传热。
  1. 利用模型树节点Setup → Models → Viscous Model → Laminar采用层流计算。

3.5 编译及加载UDF

  • 利用User Defined → User Defined → Functions → Compiled...编译用于定义气相和固相导热系数的UDF文件 conduct.c
    • 单击 Source Files 下的 Add... 按钮打开 Select File 对话框
    • 选择文件 conduct.c
    • 点击 Build按钮。Fluent 将创建一个 libudf 文件夹并编译 UDF。
    • 点击 Load 按钮加载 UDF。

3.6 Materials设置

修改将用于主相的空气的属性。

  1. 指定Density1.2 kg/m 3
  2. 指定Cp994 J/kg-K
  3. Thermal Conductivity下拉列表中选择user-defined 打开User Defined Functions 对话框
    1. 从可用列表中选择 conduct_gas::libudf
    2. 单击 OK 关闭 User Defined Functions 对话框
  4. 点击 Change/Create 并关闭 Materials 对话框。

定义一个新的流体材料作为颗粒相。

  1. 指定Namesolids
  2. 指定Density2660 kg/m 3
  3. 指定Cp737 J/kg-K
  4. 保留Thermal Conductivity下拉列表中选择user-defined
  5. 点击 Edit... 按钮打开 User Defined Functions 对话框。
    1. User Defined Functions 对话框中选择 conduct_solid::libudf 并点击 OK
    2. 将打开一个Question 对话框,询问您是否要覆盖air
    3. Question 对话框中点击 No
  6. 点击 Change/Create 并关闭 Materials 对话框。

3.7 相设置

  1. Multiphase Model 对话框的Phases 选项卡中,将空气定义为主相。
    1. Phases 选择列表中,选择 phase-1 – Primary Phase
    2. 指定Nameair
    3. 确保从 Phase Material 下拉列表中选择了air
    4. 点击 Apply

重要提示:在设置案例时,如果在当前选项卡中进行了更改,应该及时单击Apply按钮使其生效,然后再移动到下一个选项卡。否则,其他选项卡中可能不会提供相关模型,并且您的设置可能会丢失。

  1. solids(玻璃颗粒)定义为次相。
    1. Phases 选择列表中,选择 phase-2 – Secondary Phase
    2. 指定Namesolids
    3. Phase Material 下拉列表中选择solids
    4. 启用 Granular
    5. Granular Temperature Model 组框中保留默认选择 Phase Property
    6. 指定Diameter0.0005 m。
    7. Granular Viscosity 下拉列表中选择syamlal-obrien
    8. Granular Bulk Viscosity 下拉列表中选择lun-et-al
    9. Granular Temperature 下拉列表中选择constant,并输入 1e-05
    10. 指定Packing Limit0.6
    11. 点击 Apply
  1. Multiphase Model 对话框的Phases Interaction 选项卡中,定义要使用的相互作用。
    1. Forces 选项卡中,从Drag Coefficient 组框中的 Coefficient 下拉列表中选择 syamlal-obrien
    2. 点击 Apply
    3. 转到 Heat,Mass,Reactions 选项卡。
    4. Heat 选项卡中,从Heat Transfer Coefficient 下拉列表中选择 gunn
    5. 点击 Apply
    6. Interfacial Area 选项卡中,从Interfacial Area 下拉列表中选择ia-symmetric。默认的ia-particle方法最适合典型的分散相应用,其中次相的体积分数低于 30%。在此分析中,次相的体积分数较高 (接近 60%)。ia-symmetric 相关性对这种情况更准确,因为它在界面面积计算中考虑了主相和次相的体积分数。
    7. 点击 Apply 并关闭 Multiphase Model 对话框。

3.8. 边界条件设置

1、v_uniform边界

对于欧拉多相流模型,需要在速度入口指定对主相和次相特定的条件。

  1. Phase 下拉列表中选择air
    1. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框。
    2. Velocity Specification Method 下拉列表中保留默认选择 Magnitude,Normal to Boundary
    3. 指定Velocity Magnitude0.25 m/s。
    4. 单击 Thermal 选项卡,并为 Temperature293 K。
    5. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。
  1. Phase 下拉列表中选择solids
    1. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框
    2. 保留默认的 Velocity Specification MethodReference Frame
    3. 保留默认值 0 m/s 指定Velocity Magnitude
    4. 单击 Thermal 选项卡,并为 Temperature293 K。
    5. 单击 Multiphase 选项卡,并保留默认值 0 指定Volume Fraction
    6. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。

2、v_jet边界

  1. Phase 下拉列表中选择air
    1. 保留默认的 Velocity Specification MethodReference Frame
    2. 指定Velocity Magnitude0.25 m/s。为了与文献[1]的分析结果进行有意义的比较,在此模拟中,您将在床底的两个进口处使用等于最小流化速度的均匀气相速度值。
    3. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框。
    4. 单击 Thermal 选项卡,并为 Temperature293 K。
    5. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。
  1. Phase 下拉列表中选择solids
    1. 单击 Edit... 按钮打开 Velocity Inlet 对话框。
    2. 保留默认的 Velocity Specification MethodReference Frame
    3. 保留默认值 0 m/s 指定Velocity Magnitude
    4. 单击 Thermal 选项卡,并为 Temperature293 K。
    5. 单击 Multiphase 选项卡,并保留默认值 0 指定Volume Fraction
    6. 单击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。

3、poutlet边界

压力出口处的热力条件只有在气流通过该边界进入域时才会使用。您可以将其设置为与入口值相等,因为在压力出口处不会出现流动逆转。但一般情况下,必须为这些下游标量值设置合理的值,以防在计算过程中发生流动逆转。

  1. Phase 下拉列表中选择mixture
    1. 单击 Edit... 按钮打开 Pressure Outlet 对话框。
    2. 保留默认值 0 帕斯卡指定Gauge Pressure
    3. 单击 Apply 并关闭 Pressure Outlet 对话框。
  2. Phase 下拉列表中选择air
    1. 单击 Edit... 按钮打开 Pressure Outlet 对话框。
    2. Thermal 选项卡中,指定Backflow Total Temperature293 K。
    3. 单击 Apply 并关闭 Pressure Outlet 对话框。
  1. Phase 下拉列表中选择solids
    1. 单击 Edit... 按钮打开 Pressure Outlet 对话框。
    2. Thermal 选项卡中,指定Backflow Total Temperature293 K。
    3. Multiphase 选项卡中,保留默认设置。
    4. 单击 Apply 并关闭 Pressure Outlet 对话框。

4、wall_hot边界

对于加热壁,您将为混合相设置热条件,并为两个相设置动量条件 (零剪切)。

  1. Phase 下拉列表中选择mixture
    1. 单击 Edit... 按钮打开 Wall 对话框。
    2. Thermal 选项卡中,从 Thermal Conditions 列表中选择Temperature
    3. 指定Temperature373 K。
    4. 单击 Apply 并关闭 Wall 对话框。
  1. 为主相设置加热壁 (wall_hot)的边界条件。
    1. Phase 下拉列表中选择air
    2. 单击 Edit... 按钮打开 Wall 对话框。
    3. 保留默认的No Slip条件,然后单击Apply并关闭Wall对话框。
    4. 为绝缘壁 (wall_ins)设置边界条件。

对于绝缘壁,保留混合相的默认热条件 (零热流)和两个相的默认动量条件 (无滑移)。

3.9 Methods设置

鼠标双击模型树节点Solution → Solution → Methods...进入方法设置面板

  • 选择二阶隐式瞬态离散格式和高阶空间离散格式。
    1. Pressure选择Second Order,对Momentum选择Second Order Upwind
    2. Volume FractionEnergy选择QUICK
    3. 修改Spacial Discretization组框中的离散格式。
    4. Transient Formulation下拉列表中选择Second Order Implicit

3.10 Controls设置

  • 选择模型树节点Solution → Controls → Controls...进入求解控制设置面板
    • Pressure设置 0.5
    • Momentum设置 0.2

3.11 定义场函数

  1. 定义函数 t_mix
    1. Field Functions下拉列表中选择Temperature...Static Temperature
    2. 确保从Phase下拉列表中选择了air,然后点击Select
    3. 在计算器界面上点击乘法符号。
    4. Field Functions下拉列表中选择Phases...Volume fraction
    5. 确保从Phase下拉列表中选择了air,然后点击Select
    6. 在计算器界面上点击加法符号。
    7. 类似地,添加项 solids-temperature * solids-vof
    8. 指定New Function Namet_mix
    9. 点击Define
  1. 定义函数 k_mix
    1. Field Functions下拉列表中选择Properties...Thermal Conductivity
    2. Phase下拉列表中选择air,然后点击Select
    3. 在计算器界面上点击乘法符号。
    4. Field Functions下拉列表中选择Phases...Volume fraction
    5. 确保从Phase下拉列表中选择了air,然后点击Select
    6. 在计算器界面上点击加法符号。
    7. 类似地,添加项 solids-thermal-conductivity-lam solids-vof
    8. 指定New Function Namek_mix
    9. 点击Define
  1. 定义函数 ave_htc
    1. 在计算器界面上点击减法符号。
    2. Field Functions下拉列表中,选择Custom Field Functions...k_mix,然后点击Select
    3. 使用计算器界面和Field Functions列表完成函数的定义:
    4. 指定New Function Nameave_htc
    5. 点击Define并关闭Custom Field Function Calculator对话框。

3.12 定义报告输出

  • 选择工具栏按钮**Domain → Surface → Create → Point...**定义点
    • 指定New Surface Namey=0.24
    1. Coordinates组框中输入 0.28494 m 指定x0.24 m 指定y
    2. 点击Create并关闭Point Surface对话框。
  • 利用Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Facet Average...为传热系数定义表面报告定义。
    • 为报告定义的Namesurf-mon-1
    • Create组框中,启用Report FileReport PlotPrint to Console
    • Field Variable下拉列表中选择Custom Field Functions...ave_htc
    • Surfaces选择列表中选择y=0.24
    • 点击OK保存表面报告定义设置并关闭Surface Report Definition对话框。

surf-mon-1-rplotsurf-mon-1-rfile会自动生成在树中 (在Solution/Monitors/Report PlotsSolution/Monitors/Report Files下)。

  • 右键选择模型树节点Solution → Monitors → Report Files → surf-mon-1-rfile,点击菜单项Edit...打开编辑对话框,指定Output File Base Namehtc-024.out,点击OK关闭Edit Report File对话框。

3.13 初始化计算

  • 右键选择模型树节点Solution → Cell Registers,点击弹出菜单项New → Region...打开设置对话框
    1. Input Coordinates组框中输入 0.3 m 指定Xmax0.5 m 指定Ymax
    2. 点击Save并关闭Region Register对话框。

此区域用于在下一步中Patch固相的初始体积分数。

  • 利用模型树节点Solution → Initialization初始化
    1. Compute from下拉列表中选择all-zones
    2. 保留默认值并点击Initialize
  • 点击按钮Solution → Initialization → Patch...,指定固相的初始体积分数。
    1. Phase下拉列表中选择solids
    2. Variable选择列表中选择Volume Fraction
    3. 指定Value0.598
    4. Registers to Patch选择列表中选择region_0
    5. 点击Patch并关闭Patch对话框。

此时,显示刚才Patch的变量的分布是一种良好的做法,以确保获得了所需的场。

  • 利用Results → Graphics → Contours → New...显示固相Volume Fraction的分布
    1. Options组框中启用Filled
    2. 从上面的Contours of下拉列表中选择Phases...
    3. Phase下拉列表中选择solids
    4. 确保从下面的Contours of下拉列表中选择了Volume fraction
    5. 点击Save/Display并关闭Contours对话框。

3.14 迭代计算

  • 双击模型树节点Run Calculation,设置以下参数
    1. Time Step Size设置为 0.00015
    2. Number of Time Steps设置为 12000
    3. 指定Max Iterations/Time Step50
    4. 点击Calculate
  • 监测的htc变化曲线
  • 保存案例和数据文件 (fluid-bed.cas.h5fluid-bed.dat.h5)。

4 后处理

  • 点击Results → Graphics → Contours → New... 打开对话框
    1. 指定Contour Namecontour-pressure
    2. Coloring组框中选择Banded
    3. Phase下拉列表中选择mixture
    4. Contours of下拉列表中选择Pressure...Static Pressure
    5. 点击Save/Display并关闭Contours对话框。

显示的压力分布如图所示。

  • 相同方式显示固相体积分数,如下图所示

(完)

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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文章名称:《Fluent案例|欧拉颗粒流传热》
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