计算流体力学--多相流仿真专题
第七章 应用粒子追踪法之仿真（1） 粒子追踪法（Particle Tracking Method）在混相流的仿真中使用频率相当高，它适用于气液二相流、固气二相流、固液二相流以及气液固三相流等各种各样的模拟对象。其模拟结果所得到的粒子的动态，还可应用于流动的可视化，因此有时也要对无质量的标量粒子做仿真模拟。粒子的仿真模拟有许多方法。既有把粒子作为泥沙那样的粉状体来处理的离散元法（Discrete Element Method），也有SPH法（即Smoothed Particle Hydrodynamics，或译为平滑粒子水动力学法）及MPS法（即Moving Particle Simulation，或译为移动粒子模拟法）等等。SPH法甚至可应用于流体的仿真模拟。在这一章讲座里要介绍的粒子追踪法，是所谓的PSI-Cell法（即Particle Source in Cell，或译为网格的粒子源法）。PSI-Cell法由克洛博士（Dr. Crowe，他在流体工程领域里享有盛名），在其学术论文“The Particle-Source-In Cell Model for Gas-Droplet Flows” （1977年）中提出。如图7.1 所示那样，利用网格分割成的元素，把流体作为连续状态（连续相）来模拟解析（Euler法，即欧拉法），流体中的粒子处于分散状态（分散相），对其逐个进行跟踪（Lagrange法，即拉格朗日法），然后对流体和粒子的运动进行耦合分析并加以模拟的这样一个方法。象图7.1这样，把流体和粒子相互之间给与的影响联合起来加以分析模拟叫做双向耦合。把只考虑流体对粒子的作用而不考虑粒子对流体的影响的模拟称作单向耦合。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_gif/WA6gxfHQ0cILhchMTn6D9NSVgRzC5BWQMJ4wrpakghhibI565icCPibXPXHO1g62WpB3Cbm72hVlicUrvLuD8RWUWg/640?wx_fmt=gif&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=17.1 双向耦合（Two way coupling）粒子追踪法把粒子作为质点来考虑，因此，如图7.2的右图所示的那样，粒子的接触碰撞占主导地位的场合，就不适合应用此法进行模拟。也不是说绝对不能模拟解析，只是无法保证模拟的精度。图7.2 粒子追踪法的适用范围 在图7.3 中，给出了流体中的粒子所受到的各种各样的作用力。当粒子密度大于流体的密度时，主要的作用力为阻力和重力。不过，必须要注意的是，粒子所受的阻力是假定其几何形状为球体而计算出来的。当然，象自然界存在的沙尘等，粒子未必都是球形的，况且，液滴这样的粒子，形状还会产生变化。因此，请务必记住粒子追踪法里有上述这样的假定。图7.3 流体中的粒子所受的作用力图中粒子所受的作用力的说明。Saffman力：即萨夫曼力，当粒子在有速度梯度的流场中运动时所产生的升力；Magnus力：即马格努斯力，当粒子在流场中作自身旋转时产生的横向力；Basset力：即巴塞特力，当粒子在粘性流体中作变速运动时增加的阻力，此力有记忆效应。接下来一起来看一个仿真实例吧。我们准备用粒子追踪法来模拟砂水分离器的工作，这是一种把砂粒从河水，地下水，井水以及温泉这些原水中分离出来的装置。砂水分离器是一种利用离心力使砂水分离的设备，其工作原理与气旋式分离器相同。然而，砂的密度仅为水的2.5倍，与砂粒及空气的密度差相比要小得多，因此更难以分离。这次模拟的砂水分离器（见图7.4），其高度为900毫米，最大直径200毫米，原水（未净化水）的进水口直径是30毫米，净化水的出水口直径有60毫米。原水的流入量假定为一常量，即2.8米3/小时，其中约3%作为废水从排水口流出。砂粒假定为一样大小的粒子，其密度为2500千克/米3，以每0.1秒100个的速率，和原水一起注入。在30秒期间内对粒子跟踪模拟。然后，把从排水口和废水一起流出的粒子数，除以废水和净化水中流出的粒子的总数，其商就是砂粒去除率。
图7.4 砂水分离器示意图呈于图7.5的是粒子运动的模拟结果，粒子的直径为100微米。图中显示了7秒内附以速度矢量的粒子的形态。可以看到，与原水一起注入的粒子，一边沿着装置的壁面流动，一边向下移动，与废水一起从排水口流出来。图7.6中用箭头来表示水的流线。从中可以清晰地看到砂水分离器内产生的回转流动的情形。图7.5 粒子的运动图7.6 砂水分离器中的流线图7.7中给出的是，把砂粒直径分别改变成5、25、50、75、100微米（μm）时，砂粒去除率随之而来的变化。从图中可以清楚地看到，随着其直径的变小，砂粒变得更难以从水里分离出来。实际上，砂粒的直径往往都大于100微米，因此，刚刚模拟的砂水分离器在沙粒去除率方面应该不存在什么问题。 图7.7 砂粒去除率随砂粒直径的变化下一章将对粒子追踪法需要设置的条件作详细的说明。
这个cradle 是利用粒子法进行分析的么？ 像不像msc 以前的xflow 那样？
页:
[1]