三十四、Fluent液体喷雾蒸发模拟
1. 概念
液体喷雾蒸发现象是生活中常见到的一种现象,广泛应用于化工行业,对Fluent进行设置可模拟这类现象。
2. 模型描述
本案例模拟甲醇在鼓风雾化器中的雾化,甲醇在被引入鼓风雾化器之前被冷却到-10℃。雾化器中有一股环形旋转的气流。同时为了简化模型,本模型使用了旋转周期性网格,只画了1/12即30°的模型。
3. 基本设置
3.1 导入网格:
使用Fluent软件打开Chapter34.msh.gz网格文件,文件在本文末尾链接资源内。
3.2 修改模型尺寸
本案例模型尺寸保持默认即可,关于scale mesh详细设置查看Chapter31 Fluent空化模型
3.3 求解器设置
基于压力求解器,稳态设置
4. 设置计算模型
4.1 能量方程
打开能量方程
4.2 湍流模型设置
4.3 组分输运模型
打开组分输运模型,将mixture material更改为methyl-alcohol-air(甲醇空气混合物)
注:默认情况下这里的材料为mixture-template,想要出现methyl-alcohol-air需要在material面板下进行设置。设置好后此处才可选择methyl-alcohol-air
5. 材料设置
5.1 添加methyl-alcohol-air材料
Materials-Mixture
在Materials下,单击Mixture...,弹出如下面板,
单击Fluent Database,找到methyl-alcohol-air,点击copy
5.2 修改methyl-alcohol-air组分
单击copy后,回到methyl-alcohol-air属性设置界面。单击Mixture Species后的Edit
在Selected Species栏下将h2o和co2移出,表示methyl-alcohol-air混合物组分只有ch3oh、o2、n2
6. 边界条件设置
6.1 周期性边界条件
分别单击Periodic的periodic-a和periodic-b,将Periodic Type栏改为Rotational,这里主要是将两个周期性边界改为旋转周期性,默认为平移性周期。
6.2 inlet边界设置
选择central_air,将边界类型改为质量流量入口mass flow inlet,双击central_air边界,弹出如下界面
Mass flow Rate:输入9.167e-5
Direction Specification Method:选择Direction Vector。X和Y方向输入为0,Z方向输入1,表示流动方向为Z方向
Specification Method:选择 Intensity and Hydraulic Diameter
Turbulent Intensity:输入10 .
Hydraulic Diameter:输入0.0037m
注:湍流边界具体设置可查看文章Chapter33
三十三、Fluent边界条件湍流参数设置详解
单击Thermal 栏,在Total Temperature输入温度293K
单击Species 栏,在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23
注:通过5材料设置可知,methyl-alcohol-air混合物组分只有ch3oh、o2、n2三种,其中o2组分质量分数设置为0.23,ch3oh质量分数设置为0,则n2质量分数为1-0.23。
选择co-flow-air,将边界类型改为速度入口Velocity inlet,双击co-flow-air边界,弹出如下界面
Velocity Magnitude速度大小设置为1m/s
Specification Method:选择 Intensity and Hydraulic Diameter
Turbulent Intensity:输入5
Hydraulic Diameter:输入0.0726m
单击Thermal 栏,在Total Temperature输入温度293K
单击Species 栏,在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23
选择swirling_air,将边界类型改为速度入口Velocity inlet,双击swirling_air边界,弹出如下界面
Velocity Specification Method:速度设置方法设置为Magnitude and Direction,表示通过设置速度大小和方向设置速度
Velocity Magnitude速度大小设置为19m/s
Coordinate System坐标系:选择Cylindrical (Radial, Tangential, Axial) 柱坐标。
Radial-Component of Flow Direction设置为0,径向速度分量设置为0;
Tangential-Component of Flow Direction设置为0.7071,切向速度分量设置为0.7071;
Axial-Component of Flow Direction设置为0.7071,轴向速度分量设置为0.7071;
Specification Method:选择 Intensity and Hydraulic Diameter
Turbulent Intensity:输入5
Hydraulic Diameter:输入0.0043m
单击Thermal 栏,在Total Temperature输入温度293K
单击Species 栏,在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23
6.3 wall边界设置
选择outer-wall,将边界类型改为速度入口wall,双击outer-wall边界,弹出如下界面
在Shear Condition 勾选Specified Shear,其余参数保持默认值。
7. 求解方法(不含液滴)
7.1 求解方法
Solution-Solution Methods
7.2 求解控制
Solution-Solution Controls
保持默认即可
7.3 残差设置
残差设置保持默认即可
8. 初始化
选择Hybrid Initialization
注:对于复杂模型的流场,混合初始化比标准初始化更好,能够提供更好的速度场和压力场,有助于提高收敛性。
9. 计算设置
Time Step Method 设置为User-Specified 用户自定义,伪时间步长Pseudo Time Step Size设置为1s,迭代次数设置为150步
10. 后处理
10.1 新建剪切面
Results → Surface → Create → Iso-Surface...
New Surface Name:输入新建面的名称为angle=15 .
Surface of Constant栏:选择 Mesh...and Angular Coordinate
点击Compute计算最大最小的角度值.
Iso-Values:输入15
10.2 速度云图
想要出现入口方向箭头,需要勾选Draw mesh
速度云图
10.3 旋转环形空气流迹线
周期性显示设置
View-views-Periodic Repeats-Define
单击Define,显示下图,
从Associated Surfaces 选择 atomizer-wall
Periodic Type 选择 Rotational
Number of Repeats设置为12
注:这部分的设置主要是显示周期性网格,从Associated Surfaces中选择某些面表示对这些面进行周期性显示,Periodic Type 选择 Rotational 表示旋转周期,Number of Repeats设置为12表示显示12个周期,由于模型只有30°,因此12个周期为一个完整的圆。
pathlines显示
Results → Graphics → Pathlines → New...
Draw mesh主要是为了显示部分物理模型,Path Skip设置为5,用于简化迹线数量。Release from Surfaces 选择swirling_air,表示显示swirling_air部分的迹线
11.创建Spray Injection
Physics → Models → Discrete Phase...
回到Models界面,双击 Discrete Phase,弹出如下界面
勾选Interaction with Continuous Phase,考虑离散相轨迹对连续相的影响
DPM Iteration Interval:输入10
在Contour Plots for DPM Variables栏勾选Mean Values,后处理界面使用平均值显示
勾选Unsteady Particle Tracking
Particle Time Step Size:输入0.0001
Number of Time Steps:输入10
在Physical Models栏,勾选 Temperature Dependent Latent Heat 和Breakup
注:勾选Temperature Dependent Latent Heat ,表示考虑液滴温度对潜热的影响;勾选Breakup表示考虑液滴的破碎
在Numerics栏, 勾选Linearize Source Terms (Source Terms group),使源项线性化,可加快收敛
单击上面界面的Injections...
单击Create,开始创建液滴喷射入口injection
在Set Injection Properties 界面:
Injection Type:选择 air-blast-atomizer鼓风雾化器
Number of Streams:输入600,表示每个时间步有600个液滴颗粒喷射进计算域
Particle Type :勾选Droplet
Material drop-down list:勾选methyl-alcohol-liquid
在Point Properties栏:
保持 X-Position和Y-Position为默认值0
Z-Position:输入0.0015
X-Axis, Y-Axis和Z-Axis:分别设置为0,0,1
Temperature:输入263 K
Flow Rate:输入8.5e-5 kg/s
Start Time:0 s
Stop Time:100 s
Injector Inner Diameter:0.0035m
Injector Outer Diameter:0.0045m
Spray Half Angle:45 degrees,喷射角是液层轨迹与喷射器中心线之间的夹角。
Relative Velocity:82.6 m/s,相对速度是雾化空气和液层之间的预期相对速度。
Azimuthal Start Angle :保持默认0
Azimuthal Stop Angle:设置30,由于模型只构建了30°,因此喷射角度只有30°
在Physical Models栏下:
勾选Enable Breakup
Breakup Model:选择TAB
y0和Breakup Parcels:保持默认值;分别为0和2
Drag Law:选择dynamic-drag
在Turbulent Dispersion栏
勾选Discrete Random Walk Model和Random Eddy Lifetime,这些模型将考虑液滴的湍流扩散
12. 设置液滴材料属性
Setup → Materials → methyl-alcohol-liquid → Create/Edit...
回到材料设置界面,双击methyl-alcohol-liquid
弹出如下界面
Material Type:选择droplet-particle
Viscosity:0.00095 kg/m-s
Saturation Vapor Pressure:选择piecewise-linear
Vaporization/Boiling Model:选择convection/diffusion-controlled
点击Change Create,并关闭此窗口
13. 求解方法(含液滴)
求解控制,将离散相的松弛因子设置为0.9
14. 残差设置
勾选Show Advanced Options,Convergence Criterion 选择none,每个时间步不检查收敛性
15. 计算设置
与9. 计算设置相同,计算300步
16. 后处理设置(带液滴)
16.1 查看液体粒子轨迹
Results → Graphics → Particle Tracks → New...
Particle Tracks Name:particle-tracks-droplets
勾选 Draw Mesh,弹出mesh窗口,保持默认即可
Particle Variables...勾选Particle Diameter
Release from Injections:勾选 injection-0
单击Save/Display,则显示下图
注:想要不显示完整的雾化器模型,需要在View-Views-Periodic RepeatsJ进行设置
16.2 查看索特平均直径
Results → Graphics → Contours → New...
Contour Name:输入contour-dpm-sauter-diameter
Contours of:分别选择 Discrete Phase Variables... 和 DPM D32
Surfaces:选择angle=15
16.3 查看DPM平均速度
Results → Graphics → Vectors → New...
Vector Name:输入vector-dpm-vel
Vectors of:选择dpm-mean-velocity
Color by:分别选择 Discrete Phase Variables... 和DPM Velocity Magnitude
Style:选择arrow
Scale:输入7
Surfaces:选择angle=15
原文链接:
三十四、Fluent液体喷雾蒸发模拟液体喷雾蒸发现象是生活中常见到的一种现象,广泛应用于化工行业,对Fluent进行设置可模拟这类现象进行模拟https://mp.weixin.qq.com/s/ldBfTcB1qlWG7eQ55sjzQA
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