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Fluent冲蚀计算中的两个坑

内容纲要

在 Fluent 中设置模型参数时,通常没有特别注明单位的,一般采用国际单位制。然而在冲蚀计算过程中,一些参数的设置却并非如此。

Fluent 冲蚀计算需要设置两个关键参数:壁面恢复系数与冲蚀模型。

1 壁面恢复系数

壁面恢复系数用于表征颗粒碰撞到壁面后的运动行为,是唯一能够体现颗粒动量和能量损失的模型参数,该参数对颗粒碰撞后的运动速度及角度有决定性的作用。

目前较为常用的壁面恢复系数模型为Forder et al.[1]模型及Grant and Tabakoff[2]等。

Forder et al.模型表达形式为:
其中,为法向恢复系数;为切向恢复系数;为冲击角,单位为rad。
Grant and Tabakoff模型表达式为:
式中的单位也是弧度。

当冲击角单位为弧度时,恢复系数的取值范围为0~1。

若以角度为单位,使用式(1)与式(2)的表达形式,则如下图所示,显然是错误的。

此时需要对系数进行转换。

转换后的Forder模型为:

或:

相应的Grant and Tabakoff模型转换后为:

以角度为单位绘制式(3)和(4)的曲线,如图所示。

得到与以弧度显示的式(1)(2)相一致的结果。

扎心的事情是:Fluent壁面恢复系数,输入的参数是以角度为单位,其显示曲线却以弧度为单位。如下图所示输入的Forder模型,系数输入采用的是以角度为单位的式(3),然而其图形显示只提供了弧度单位。河里蟹!

2 冲蚀函数

相同的问题也发生在冲蚀率函数上。

冲蚀函数用来描述冲蚀速率与颗粒冲击角度、颗粒冲击速度以及颗粒粒径等参数之间的函数关系。当选择使用通用冲蚀模型时,需要指定这三个参数。

经常将冲击角函数指定成与颗粒冲击角度相关的多项式函数。

Zhang et al.模型[3]的表达式为:
式中,为材料的布氏硬度,碳钢材料取120;为颗粒的形状系数,圆形颗粒取0.2;为颗粒速度;为冲击角函数。
冲击角函数表达式为:
其中为颗粒的冲击角度,单位为弧度。

以弧度为单位显示的冲击角函数曲线如图所示。可以看出最大值在0.9弧度左右。

然而在Fluent中输入的是角度,如果按照式(5)的系数输入,得到的图形如下图所示,显然是错误的(纵坐标都9次方了)。

将式(5)改造成以角度为单位的表达式:
函数图像为(以角度为x坐标):

在Fluent中以式(6)的参数输入,一切恢复正常。

3 总结

当在Fluent中将壁面恢复系数及冲击角函数指定为颗粒冲击角度的函数时,应当按照冲击角单位为角度的表达式输入系数。若文献中给定的表达式是以弧度为单位,则需要对原表达式进行转换,将其换算为以角度为单位。

另外一个需要注意的是,如果采用UDF描述这些公式,则需要使用弧度表达式。

作为一款成熟的商业软件,Fluent应该在参数输入界面指明参数的单位。


参考文献

[1]

Forder, A., Thew, M., Harrison, D., 1998.A numerical investigation of solid particle erosion experienced within oilfield control valves.Wear, Vol. 216, pp. 184-193.

[2]

Grant G, Tabakoff W. Erosion prediction in turbomachinery resulting from environmental solid particles[J]. Journal of Aircraft, 1975, 12(5): 471-478.

[3]

Zhang, Y., Reuterfors, E.P., McLaury, B.S., Shirazi, S.A., Rybicki, E.R., 2007.Comparison of computed and measured particle velocities and erosion in water and air flows.Wear, Vol. 263, pp. 330-338.


(完)

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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