-
实用文案
振动流化床仿真操作过程及参数选择
1
创建流化床模型。
根据靳海波论文提供的试验机参数，
创建流化床模型。
流化床直
148mm
，
高
1m
，开孔率
9%
，孔径<
/p>
2mm
。在筛板上铺两层帆布保证气流均布。
因为实验机为一个圆形的流化床，所以可简化为仅二维模型。而实际实
验中流化高度远小于
1m
，甚至
< br>500mm
，所以为提高计算时间，可将模型高度
缩为<
/p>
500mm
。由于筛板上铺设两层帆布以达到气流均分的目的，所
以认为沿
整个筛板的进口风速为均匀的。最终简化模型如下图所示：
上图为流化后的流化床模型，
可以看出流化床下端的网格相对上端较密，
因为流化行为主要发生的流化床下端，为了加
快计算时间，所以采用这种下
密上疏的划分方式。
其中进口设置
为
velocity
inlet
；<
/p>
出口设置为
outflow
；
左右两边分为设置为
wall
。
< br>在
GAMBIT
中设置完毕后，
输出二维模型
。
outflow
边界条件不需要给定任何入口的物理条件，但是应用也会有限
制，大致为以下四点：
1.
只能用于不可压缩流动
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2.
出口处流动充分发展
3.
不能与任何压力边界条件搭配使用（压力入口、压力出口）
4.
不能用于计算流量分配问题（比如有多个出
口的问题）
2
打开
FLUENT
6.3.26
，导入模型
点击
GRID
—
CHECK
，检查网格信息及模型中设置的信息，核对是否正确，尤
其查看是否出现负
体
积和负
面
积，如
出
现马上修
改。核
对
完毕后，
点击
GRID-
SCALE
弹出
SCALE
GRID
窗口，设置单位为
mm
，并点击
change
length
unit
按钮。具体设置如下：
3
设置求解器
保持其他设置为默认，更改
TIME
为
unsteady
，因为实际流化的过程是
随时间变化的。<
/p>
（
1
）
pressure based
求解方法在求解不可压流体时
，如果我们联立求解
文案大全
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从动量方程和连续性方程离
散得到的代数方程组，
可以直接得到各速
度分量及相应的压力值
，
但是要占用大量的计算内存，
这一方法已可
< br>以在
Fluent6.3
中实现，所需内存为分离算法的
1.5-2
倍。
density
based
求解方法是针对可压流体设计的，
因而更适合于可压流场的计
算，以速度分量、密度（密度基）作为基本变量，压力则由
状态方程
求解。
Pressure-Based
Solver
它是基于压力法的求解器，使用的是
压
力修正算法，
求解的控制方程是标量形式的，
擅长求解不可压缩
流
动，对于可压流动也可以求解；
Fluent 6.3
以前的版本求解器，只
有
Segregate
d
Solver
和
Coupled
Solver
，
其
实
也
就
是
Pressure-Based
Solver
的两种处理方法；
Density-Based
Solver
是
Fluent 6.3
新发展出来的，它是基于密度法的求解器，求解的控
制方程是矢量形式的，主要离散格式
有
Roe
，
AUSM+
，该方法的初衷
是让
Fluent
具有比较好的求解可压缩流动能力，但目前格式没有添
加任何限制器，
因此还不太完善；
它只有
Coupled
的算法；
对于低速
问题，
他们是使用
Preconditioning
方法来处理，
使之也能够计算低
速问题。
Density
-Based Solver
下肯定是没有
SIMPLEC
，
PISO
这些
选
项的，
因为这些都是压力修正算法，
不会在这种类型的求解器中
出
现的；一般还是使用
Pressure-Based
Solver
解决问题。
（
2
）
再
GRADIENT
OPTION<
/p>
选项组中，
指定通过哪种压力梯度来计算控制方
< br>程
中
的
导
数
项
。
CELL-BASED(
按
单
元
中
的
压
力
梯
度
计
算
)
< br>和
NODE-BASED
（按节点的案例梯度计算）
。
Porous
formulation
选项组
用于制定多孔介质速度的方法。
（
3
）
当选择
UNSTEADY
时，会出现
UNSTEASDY FORMULATION
选项组，让用
户据顶时间相关项的计算公式及方法。
对于巨大多数问题选一阶隐式
就足够了。只有对精度有特别要求时才选二阶隐式。
4
设置多相流模型。
设置为欧拉模型，相数设置为
2
即为两相流，具体设置
如下：
在
Fluent
中，共有三种欧拉
-
欧拉
多相流模型，即
VOF(Volume Of Fluid)
模
型、混合物
(Mixture)
模型和欧拉
(Eulerian)
模型。
(1) VOF
模型。
VOF
模型是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。
当需要得到一种或多
种互不相融流体间的交界面时，
可以采
用这种模型。
在
VOF
模型中，
不同的流体
组分共用着一套动量方程，
计算时
在整个流场的每个计算单元内，
都记录下各流
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体组分所
占有的体积率。
VOF
模型的应用例子包括分层流、自由面流动
、灌注、
晃动、液体中大气泡的流动、水坝决堤时的水流以及求得任意液
-
气分界面的稳
态或瞬时分界面。
(2)
混合物模型。
混合物模型可用于两相流或多相流（流体或颗粒）。因为在欧拉模型中，各
相被处理为互相贯通的连续体，
混合物模型求解的是混合物的动量方程，
并通过
相对速度来描述离散相。混合物模型的应用包括低负载的粒子负载流
、气泡流、
沉降和旋风分离器。混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。
(3)
Eulerian
模型。
Fluen
t
中最复杂的多相流模型。它建立了一套包含有
n
个的动量方程和连
续方程来求解每一相，
压力项和各
界面交换系数是耦合在一起的。
耦合的方式则
依赖于所含相的情
况，颗粒流（流
-
固）的处理与非颗粒流（流
< br>-
流）是不同的。
欧拉模型的应用包括气泡柱、上浮、颗
粒悬浮和流化床。
根据振动流化床的实际情况，本论文采用欧拉模型进行模拟。
5
设置粘性模型。
第一步，
DEFINE-MODELS-
VISCOUS
，弹出
VISCOUS MODEL
对话框，选择
K-EPSILO
模型，点击确定。
第二步，在操作窗口内键入下面的命令：
define/models/viscous/turbulence-
expert/low-re-k
屏幕显示：
/define/models/viscous/turbulence-
expert> low-re-k
Enable the low-Re
k-epsilon turbulence model? [no]
输入
y
，在模型选择面板中我们就可以看见低雷模型
low-re-ke
model
了。默认
使用第
0
种低雷诺数模型。
第三步，
Fluent
中提供
6
种低雷诺数模型，
使用
l
ow-re-ke-index
命令设定一种。
low-re-ke-index
Index
Model
0
Abid
1
Lam-Bremhorst
2
Launder-Sharma
3
Yang-Shih
4
Abe-Kondoh-Nagano
5
Chang-Hsieh-
Chen
本仿真中默认使
用第
0
种低雷诺数模型。
标准
k-epsilo
模型使用与湍流发展非常充
分的湍流流动建立的，它是一种
针对高雷诺数的湍流计算模型，它比零方程模型和一方程
模型有了很大的改进，
但是在用于强旋流、
弯曲壁面流动或弯曲
流线流动时会产生失真。
而相较标准模
型，
RNG
k-
ε模型修正了湍动粘度，考虑了平均流动的旋
转及旋流流动情况，可
以更好地处理高应变率及流线弯曲成都较大的流动，
它还是针对充分发展的湍流，
即还是高雷诺数模型。
Realizable k-
ε模型一般被应用在包含有射流和混合流
< br>的自由流动、管道内流动、边界层流动等。由于实际计算出的雷诺数较小，和上
述
三种湍流模型都不是很匹配。而在
FLUENT
提供了数种专家
模型，他们针对标
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准
K-
ε进行部分修正，使其能够适合低雷诺数使用，即为低雷诺数
k-epsilo
模
型。
6
定义材料属性。
DEFINE-MATERIALS
，
弹出材料对话框，
点
CREAT
按钮，
首先选择空气作为气
相。
然后点击
FLUENT
DATABASE
MAT
ERIALS
按钮，
在材料库中任意选择一种流体，
点击
COPY
按钮。
再将
该材料的密度及名称改为所需材料的材料属性，
设置如下，
最后
点击
CHANGE
。
7
定义相。
DEFINE-
PHASE
。首先定义空气为主相，操作如下：
接着设置次相为固相
MILLET
。点
millet
后点击
SET
按钮，弹出
s
econdary
phase
对话框，进下如下设置。
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首先定义材料为
GRANULAR
，即为颗粒，定义颗粒粒径。
Packed bed
为填充
床，与实
际不符合，故不选择。颗粒温度模型选择
PHASE
PROPERTY
相属性。
partical
differential equation
为偏微分方程。固体剪切粘度包括碰撞和
动
力部分，
摩擦部分。
其中动力部分提
供两种表达，
默认的是
SYAMLAL
ET
AL
表达，
和
GIDASPOW ET
AL
表达，通过实验一对比后选择
SYAMLAL ET AL
表达式。固体
体积粘度解释为颗粒压缩和扩张的抵抗力，
对该项一般不存在争议，
目前学术界
普遍采用
Lun et al
的表达式。本论文的仿真忽略摩擦粘度。填
充限制设置为
0.6
，即初始固相的体积分数最大为
0.6
。
设置气固封闭
关系：再
PHASE
对话框点击
INT
ERACTION
，设置气固相相互作
用的曳力函数一般为
WEN-YU,GIDASPOW,SYAMLAL-
OBRIEN
三种，实验一得出结论
SYAMLAL-
OBRIEN
更符合实际。所以选择
Syamlal-
Obrien
曳力函数模型。
（
1
）
Syamlal-O
< br>’
Brien
模型
[234]
（
20.4.31
）
< br>
这里曳力函数采用由
Dalla
Valle[47]
给出的形式：
（
20.4.32
）
这个模型是基
于流化床或沉淀床颗粒的末端速度的测量，
并使用了体积分数和
相对雷诺数的函数关系式
[193]
：
（
20.4.33
）
< br>
这里下标
l
是第
l
液体相，
s
是第
s
固体相，
d
s
是第
s
固体相颗粒的直径。
< br>
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液体
-
固体交换系数有如下形式
（
20.4
.34
）
这里
v
r
,
s
是
与固体相相关的末端速度
[73]
：
（
20.4.35
）
< br>
其中
（
20.4.36
）
< br>
（
20.4.37
）
对
?
l
?
< br>0
.
85
，
对
?
?
0
.
85
，
（
20.4.38
）
< br>
当固体相的剪切应力根据
Syamlal et al
定义时
[235]
（方程
20.4.52
）
，这个
模
型是合适的
。
（
2
）对
Wen and Yu
模型
[262]
，液体
-
< br>固体交换系数有如下形式：
这里，
（
20.4.39
）
< br>
（
20.4.40
）
数
由方程
20.4.33
定义。
Re
这个模型适合于稀释系统。
（
3
）
Gidaspow
模型
[76]
是
Wen and Y
u
模型
[262]
和
< br>Ergun
方程
[62]
的联合
。
当
?<
/p>
l
?
0
.
8
时，液体
-
固体交
换系数
K
sl
有如下形式：
（
20.4.41
）
< br>
这里
当
?
l
?
0
.
8
时，
（
20.4.42
）
< br>
对密集的流化床，建议使用这个模型。
文案大全
（
20.4.43
）
< br>
实用文案
由于本流化床内的
粒子直径远大于粒子间的距离，
这样对接近充满的颗粒包
含升力
是不合适，所以忽略升力的影响，在
LIFT
选项选择
NONE
。在恢复系数选
项下保持默认的设置值
0.9
。由于第二相密度远大于第一相，所以可以忽略虚拟
质量力。具体设置如下。
8
编译
UD
F
程序。
Define-user-
defined-function-
compiled,
导入程序。
1) void DEFINE_CG_MOTION
(UDFname,Dynamic_Thread * dt,real vel[ ],
real omega[ ], real time,real
dtime)
。
此函数接口用于控制
刚体的运动
,
用户把刚体质心运动速度和角速度分别赋值给
vel
和
omega, FLUENT
根据它们的值来自动计算出边界下一步的位置
,
从而实现
文案大全
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动边界的控制
;
刚体质心的位置可以
在函数接口界面对话框中定义。
Dynamic
Zones<
/p>
中的
dwall
就是要控制的动边界
,Motion UDF/Profile
中的
stc1sta010a0ph0
就是
UDFname,<
/p>
从中可看出它已被制定成用于控制
dwall,
< br>理论
上
FLUEN
T
可以通过这种方式实现无穷多个动边界的控制
;
on
用于
设定初始位置的质心
,ation
用于设定刚体的初始角度。一般适用于
刚体本身不变形的运动。
2) void
DEFINE_GEOM(char name,Domain * d,Dynamic_Thread *
dt,real *
position)
。
此函数接口用于控制变形体的边界运动
, position<
/p>
就是运动边界上某网格节点
的位置值
,<
/p>
用户可以通过对其赋值达到控制效果
, position [0
]
对应边界节点的
x
坐标
, position [1]
对应
y
坐标
, position [2]
对
应
z
坐标
; FLUENT
自动遍
历所有的边界节点
,
因此适用于有规律的可以用函数描述的运动边界。
3)
void DEFINE_ GRID_MOTION(name,d,dt,time,dtime)
。
此函数接口也用于控制形体的边界运动。主
要用于更加复杂的控制
,
用户需要自
己
利用
FLUENT
提供的其他函数来
遍历运动边界上的节点
,
并对其位置进行控
制
,
因此
UDF
编程比前面两种复杂得多。
它甚至可以事先生成好边界
数据
,
在计
算中把数据读入
,
完成复杂形体控制。
将振动处理为做正弦运动，
即编写
UD
F
程序使进口做正弦运动。
而通过上述
三种动边界控制实现方法的比较，
可以看出第一种
void <
/p>
DEFINE_CG_MOTION
方法
更适合振动流化床的模拟，改变进口边界的运动速度，从而完成正弦运动。
9
定义动网格。
在
FLUENT
中，动网格模型可以用来模拟由于流域边界
运动引起流域形状随
时间变化的流动情况。
这种流动情况即可以
使一种指定的运动
（随时间变化）
也
可
以使未确定的运动（随某变化的参数变化）
，即边界的运动要由前一步的计算
结果决定。各个时间不的体网格的更新基于边界条件新的位置，有
FLUE
NT
自动
完成。
动网格计算中网格的动态变化过程可以用三种模型进行
计算，
即
弹簧近似光
滑模型
(spring-based
smoothing)
、
动态分层模型
（
dynamic
layering
）和
局部
重划模型
（
local
remeshing
）。
弹簧近似光滑模型
在弹簧近似光滑模
型中，
网格的边被理想化为节点间相互连接的弹簧。
移动
前的网格间距相当于边界移动前由弹簧组成的系统处于平衡状态。
在网
格边界节
点发生位移后，
会产生与位移成比例的力，
力量的大小根据胡克定律计算。
边界
节点位移形成
的力虽然破坏了弹簧系统原有的平衡，
但是在外力作用下，
弹簧
系
统经过调整将达到新的平衡，
也就是说由弹簧连接在一起的节
点，
将在新的位置
上重新获得力的平衡。
从网格划分的角度说，
从边界节点的位移出发，
采用虎克
定律，
经过迭代计算，
最终可以得到使各节
点上的合力等于零的、
新的网格节点
位置，这就是弹簧光顺法的
核心思想。
文案大全
实用文案
原则上弹簧光顺模型可以用
于任何一种网格体系，
但是
在非四面体网格区域
（二维非三角形），最好在满足下列条件时使用弹簧光顺方法：
（
1
）移动为单方向。
<
/p>
（
2
）移动方向垂直于边界。
如果两个条件不满足，可能使网格畸变率增大。另外，在系统缺省设置中
，
只有四面体网格（三维）和三角形网格（二维）可以使用弹簧光顺法
< br>，如果想在
其他网格类型中激活该模型，需要在
dyna
mic-mesh-menu
下使用文字命令
spring-
on-all-shapes?
，然后激活该选项即可。
动态层模型
对于棱柱型网格区域（六
面体和或者楔形），可以应用动态层模型。动态层
模型的中心思想是根据紧邻运动边界网
格层高度的变化，添加或者减少动态层，
即在边界发生运动时，
如果紧邻边界的网格层高度增大到一定程度，
就将其划分
为两个
网格层；
如果网格层高度降低到一定程度，
就将紧邻边界的两个
网格层合
并为一个层：
如果网格层<
/p>
j
扩大，单元高度的变化有一临界值：
H_min>(1+alpha_s)*h_0
式中
h_min
为单元的最小高度，
h_0
为理想单元高度，
alpha_s
为层的分割<
/p>
因子。
在满足上述条件的情况下，
就可以
对网格单元进行分割，
分割网格层可以
用常值高度法或常值比例
法。
在使用常值高度法时，
单元分割的结果是产生相同
高度的网格。在采用常值比例法时，网格单元分割的结果是产生是比例为
alpha_s
的网格。
若对第
j
层进行压缩，压缩极限为：
<
br>alpha_c 再用 <
br>FLUENT
降， 中在一起进行局部网格的重新划分，
H_min
式中
为合并因子。
在紧邻动边界的网格层高度
满足这个条件时，
则
将这一层网格与外面一层网格相合并。
动网格模型的应用有如下限制：
（
1
）与运动边界相邻的网格必须为楔形或者
六面体（二维四边形）网格。
（
2<
/p>
）在滑动网格交界面以外的区域，网格必须被单面网格区域包围。
（
3
）
如果网
格周围区域中有双侧壁面区域，
则必须首先将壁面和阴影区分割开，
滑动交界面将二者耦合起来。
（
4
）如果动态网格附近包含周期性区域，则只能用
的串行版求解，但
是如果周期性区域被设
置为周期性非正则交界面，
则可以用
FLUENT
的并行版求
解。
文案大全
实用文案
如果移动边界为内部边界，
则边界两侧的网格都将作为动态层参与计算。
如
果在壁面上只有一部分是运动边界，
其他部分保持静止，
则只需在运动边界上应
用动网格技术，
但是动网格区与静止网
格区之间应该用滑动网格交界面进行连接。
局部重划模型
在使用非结构网格的区
域上一般采用弹簧光顺模型进行动网格划分，
但是如
果运动边界
的位移远远大于网格尺寸，
则采用弹簧光顺模型可能导致网格质量下
甚至出现体积为负值的网格，
或因网格畸变过大导致计
算不收敛。
为了解决
这个问题，
FLU
ENT
在计算过程中将畸变率过大，或尺寸变化过于剧烈的网格集
如果重新划分后的网格可以满足畸变率要求
和尺寸要求，则用新的网格代替原来的网格，如果新的网格仍然无法满足要求，
则放弃重新划分的结果。
在重新划分局部网格之前
，
首先要将需要重新划分的网格识别出来。
FLUENT
中识别不合乎要求网格的判据有二个，
一个是网格畸变率，
一个是网格尺寸，
其
中网格尺寸又分最大尺寸和
最小尺寸。
在计算过程中，
如果一个网格的尺寸大于
最大尺寸，
或者小于最小尺寸，
或者网格畸变率大
于系统畸变率标准，
则这个网
格就被标志为需要重新划分的网格
。
在遍历所有动网格之后，
再开始重新划分的
< br>过程。局部重划模型不仅可以调整体网格，也可以调整动边界上的表面网格。
<
/p>
需要注意的是，
局部重划模型仅能用于四面体网格和三角形网格<
/p>
。
在定义了
动边界面以后，
如果在动边界面附近同时定义了局部重划模型，
则动边界上的表
面网格必须满足下列条件：
（
1
）需要进行局部调整的表面网格是三角形（三维）或直线（二维）。
（
2
）将被重新划分的面
网格单元必须紧邻动网格节点。
（
3
）表面网格单元必须处于同一个面上并构成一个循环。
（
4
）被调整单元不能是对称面（线）或正则
周期性边界的一部分。
动网格的实现在
FLUENT
中是由
系统自动完成的。
如果在计算中设置了动边
界，则
FLUENT
会根据动边界附近的网格类型，自动选择动网格计算模型。如
果
动边界附近采用的是四面体网格（三维）或三角形网格（二维），则
< br>FLUENT
会
自动选择弹簧光顺模型和局部重划模型
对网格进行调整。
如果是棱柱型网格，
则
会自动选择动态层模型进行网格调整。在静止网格区域则不进行网格调整。
动网格问题中对于固体运动的描述，
是以固体相对于重心的线速度和角速
度为基
本参数加以定义的。既可以用型函数定义固体的线速度和角速度，也可以用
UDF
来定义这两个参数。同时需要定义的是固体在初始时刻的位置。
使用弹簧近似光滑法网格拓扑始终不变，
无需插值，
保证了计算精度。
但弹
簧近似光滑法不适用于大变
形情况，
当计算区域变形较大时，
变形后的网格会产
生较大的倾斜变形，
从而使网格质量变差，
严重影
响计算精度。
动态分层法在生
成网格方面具有快速的优势，
同时它的应用也受到了一些限制。
它要求运动边界
< br>附近的网格为六面体或楔形，
这对于复杂外形的流场区域是不适合的。
使用局部
网格重划法要求网格为三角形（二维）或四面体（三维），这对于
适应复杂外形
是有好处的，局部网格重划法只会对运动边界附近区域的网格起作用。
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