Fluent案例｜浆体中的气泡——多相流

Fluent案例｜浆体中的气泡

本案例演示利用Fluent中Multi-Fluid VOF多相流模型计算浆体中气泡上升过程。

Fluent案例｜浆体中的气泡——多相流

在本案例中，两个空气泡悬浮于颗粒浆体中，在浮力作用下运动。案例涉及到三相：空气、液体以及颗粒。采用Fluent中的Multi-Fluid VOF模型进行模拟。

圆柱形容器中盛装有液态浆体，圆柱半径0.03 m，初始浆体深度为0.05 m，颗粒物均匀分散在液相中。两个半径0.008 m的气泡悬浮在浆体内，在浮力作用下气泡上升，导致浆体内颗粒分布变得不再均匀。

计算模型采用2D轴对称处理，利用Fluent多相流模型求解气泡运动过程以及气泡运动过程中引起的浆体浓度分布。

以 2D、Double Precision 方式启动Fluent

利用菜单 File → Read → Mesh… 读取网格文件 slurry-vof.msh.gz

鼠标双击模型树节点 General ，右侧面板激活选项 Transient 及 Axisymmetric

激活选项 Grity ，设置重力加速度为 X轴-9.81 m/s2

鼠标双击模型树节点 Models > Multiphase 打开多相流设置对话框

如下图所示进行设置

激活选项 Eulerian

设置 Number of Eulerian Phases 为 3

激活选项 Multi-Fluid VOF Model

激活选项 Sharp/Dispersed

点击按钮 Interface Modeling Options… 打开设置对话框

如下图所示，激活选项 Phase Localized Discretization

注：Phase Localized Discretization选项能够确保气液相之间采用清晰界面，而液固相之间采用分散界面。

创建流体材料sol，指定其 Density 为 3000 kg/m3

-注：Materials对话框中材料sol的粘度值在并不重要。

创建材料 flu ，指定其 密度为1000 kg/m3 ，粘度为 0.1 kg/m-s

右键选择模型树节点 Models > Multiphase > phase-1-Primary Phase ，点击弹出菜单项 Edit… 打开设置对话框

如下图所示设置主相材料为 flu ，修改其名称为 fluid

相同方式设置第二相为 air ，指定其材料为 air

指定第三相为 solid ，指定其材料为 sol

激活选项 Granular

设置 Diameter 为 0.0004 m

设置 Granular Viscosity 为 0.1 kg/m-s

其他参数保持默认设置

右键选择模型树节点 Models > Multiphase > Phase Interaction ，点击弹出菜单项 Edit… 打开设置对话框

进入 Drag 标签页，如下图所示，设置阻力系数

注：浆体中的固体颗粒运动Gidaspow模型，相间存在尖锐界面时symmetric模型。

进入 Surface Tension ，如下图所示设置空气与水之间表面张力系数为 0.1 n/m

注：表面张力对于气泡的形状影响甚大

进入 Discretization 标签页，如下图所示，设置solid-fulid参数为 0 ，其他参数保持默认设置

注：2表示采用compressive算法用于sharp界面捕捉，0表示采用一阶算法用于扩散界面模拟

如下图所示设置操作条件，指定参考密度为 1.225 kg/m3

进入Controls面板，如下图所示设置亚松弛因子

采用默认参数进行初始化

点击 Patch… 按钮打开设置对话框，如下图所示设置区域 fluid_patch 的solid相体积分数为 0.01

查看solid相体积分数分布，如下图所示

注：图中进行了视图旋转，X轴为向上正方向。

右键选择模型树节点 Cell Registers ，点击弹出菜单项 New → Region… 打开设置对话框

如下图所示创建一个区域

相同方式创建另一个区域

进入Patch对话框，如下图所示patch前一步创建的两个区域的solid相体积分数为0

patch前两个区域的air相体积分数为1，如下图所示

patch完毕后的体积分数分布如下所示

注：图中进行了视图转换及对称操作

如下图所示创建云图显示

显示如下图所示的云图

如下所示设置自动保存

如下图所示创建动画

如下图所示设置 时间步长为0.0001 s ， 时间步数为1000 ，点击 Calculate 开始计算

0.03 s气泡体积分数

0.04 s气泡体积分数

0.05 s气泡体积分数

0.08 s气泡体积分数

1 s气泡体积分数

fluent没法读取案例

可能是因为文件的一个格式出现了问题，导致无常读取。也可能是网络不佳造成的。网络不好的时候也会出现无法读取案例的情况。可以先检查一下是不是网络的问题，如果是网络的问题，可以稍微等等缓冲一下就行了，或者直接切换一个好一点的网络。

fluent可以设置固定输出参数吗

fluent可以设置固定输出参数。FLUENT计算域设置面版中有个固定值设置功能Fixed，Values，可以用来强制设置某个计算域的变量如温度、速度等为恒定值。在一些应用场合，比如恒温空调房可以使用该功能进行恒温设置。以下用一个简单的案例来介绍，同时给出一些注意事项。

fluent如何模拟零升迎角

笔者于两星期之前开始接触FLUENT，在此之前一直以为FLUENT就是一求解器，只要参数设置得当，就可以得出比其他小型算法更加逼真的结果。故将重点放到了其英文界面上，在网上买的教程，看到（风吹树摆）的简单流固耦合分析案例，就以为自己瞬间掌握了FLUENT的技巧。

不过，通过两个星期的接触，发现自己所掌握的不过是普通的模型而已，如若真的涉及到空气动力学那可就难了。

目前就这两个星期的学习结果进行汇总：

简化模型

模型的简化至关重要，关系到网格划分和求解时间，进一步影响了计算的精度。笔者认为要根据自己实际经验进行简化，举个例子：如果一个不懂得飞行器设计的人给他一飞机模型，他可能会把机翼简化成一平板。当然这是玩笑话，对于笔者而言，目前接触到的都是无人机，机身轮廓大体都不多，因此笔者认为有必要将机身进行简化，但机身和机翼的连接处还是比较重要的要适当保留。可是简化的不能太过了，要适当的增加一些外挂件的迎风面积，因为无人机实际飞行时干扰和寄生阻力，笔者可不敢保证他能算的那么准。

求解器的选择

目前对这一方面笔者懂得还不是很多，就先记几点。

根据物体的速度和尺寸特征什么的计算好雷诺数，判断流经其的气流是紊流还是层流。空气粘性必须进行考虑。看过一本书上写的，因为忽略了空气粘性力的存在，计算结果与实际相8%左右。还有就是来流迎角问题，FLUENT中将来流迎角问题转化成速度矢量，意思就是将被动转化为主动，这一点不难理解。不过之前好几次出现阻力为负值的情况，百度后他们说是因为力的矢量设置错误，可以自己画个矢量三角形想想就明白了。

网格划分

之前，笔者一直在用workbench自带的划分器去划分，你们可以想象，对于简单物体这也就罢了，可对于无人机而言，笔者因为网格问题出现过残值发散，导致升阻力系数随着迭代步数变化正负转变，数值增大了万倍以上，可想而知啊。目前笔者在学习icem（越学越觉得自己无知这句话是对的），希望不久后笔者可以随心所欲的画网格。

求解时间

关于求解花费时间，其实并不是越长越精确，因为大家都知道收敛和发散，一些计算到了一定的误值就已经可以使用了，只要观察其收敛就可以了，还有些结果随着求解时间的增长而不精确，这是由于计算机精度问题导致的。

5.流场体积

这点笔者也是深有体会，刚开始流场的体积大致就是所要计算物体尺寸的10倍上下。但通过看书后发现流场区域的大小也影响着求解的精度。你可以想想，一架787在空中飞的时候周围多大体积的气流随它而产生变化呢，因此在计算机NB的情况下尽量越大越好，网格可以随着尺寸由密变疏。

这周笔者学习了一周的icem划分网格，终于可以为翼型画质量较好的边界层网格了。不过还是有一个小问题，那就是翼型前缘网格映射不太理想，以及将网格文件导入fluent总是失败。（后来发现原因竟是翼型前缘与线没有关联造成）

Icem划分网格的方法确实有些抽象，映射、拓扑这些都没有接触过。不过现在不多搞懂了，对于三维实体而言就是block代表着一定区域的网格分布状况。

文件保存：

笔者划分网格时没有好的保存习惯，若计算机崩溃，你在划分网格式有一定几率崩溃，所以一定要养成这个习惯，这也会使下一次分析时更加快捷了。

网格质量:

好的网格质量意味着本次的分析结果可信度高（毕竟是模拟分析，误肯定会有的），要对自己划分的网格进行标准检查。

网格数量控制

经过两个星期断断续续的揣摩，笔者终于可以画出简单机翼的边界层网格了。不过发现了又一个问题，就是网格节点的分布状况。一般来说边界层网格靠E#￥%￥%函数所控制，首先确定整个目标线条上的节点数量，之后确定边界层增长率，接着确定小节点尺寸。而非相关部位一般由B#￥%￥%函数所控制，表示平均分配的意思。

在绘制一款分析模型的网格时，首先应该确定网格需要控制在多少左右，这个由电脑配置所决定，由于笔者不是土豪所以一般将网格节点控制在50万以下。接着确定是否需要边界层网格，需要多少层。因为这一部分网格不容易计算出来。接着利用加减乘除确定网格节点分布。

四面体网格

笔者在不久接触了四面体网格的绘制，源于之前看到的关于无人机气动分析的论文，里面的同学就使用四面体网格，5层的边界层厚度。今天经过计算后发现，网格质量较不易控制，生成速度慢。但都不用转换就可以直接导入fluent中。

关于fluent计算有迎角模型结果失真

这段时间一直尝试着用fluent去求解来流迎角问题，可结果一直与无迎角别不大，完全没有可信性。目前分析与这几个因素有关：

网格质量

边界层层数

求解器设置出错（是它）

飞机模型的求解模型选择

目前所有关于网格的问题终于告一段落了，学习fluent已经两个多月了。其中复习了{空气与气体动力学引论}，看了很多关于fluent、icem入门的书籍。现在已经可以绘制一定难度的飞机网格了，不过在求解模型选择上又出问题了。

由于教程讲的都是亚音速工况的飞机气动计算，他们都是选择压力稳式求解器，spalart-allmaras方程湍流模型，远场压力进口。而笔者之前用的是k-Epslion方程湍流模型，速度进口压力出口。

第一阶段总结

笔者接触icem fluent有快4个月了，到目前为止终于可以解决低雷诺数无人机气动分析，以及一些简单的后处理了。可笔者总觉得不应该花这么久的时间的。现将无人机气动分析大纲列下：

注意：每步做完留有备份

简化模型

列出可靠算理（须有风洞数值对比）并与其具有相似性。

验证算理，其中进行网格无关性验证、Y+计算实验、算例升阻力矩系数、某一截面处压力分布对照，允许有一定范围内的误。

取以上经验，进行网格相关性，Y+迭代尝试，划分网格（若几何简单划分结构网格，若复杂则非结构网格），并算出第一层网格尺寸，根据硬件配置尽量将网格数量控制在某一临界值之内。

开始进行网格划分，计算域一般少10倍于特征长度，不可压缩可以进口与模型稍微近一些。

检查网格质量222标准尽量大于0.2，角度尽量大于18度。有必要对网格进行光顺。

一般采用spalart-allmaras湍流方程，理想粘性气体，松弛因子尝试过之后进行调整。

目前连续方程不太收敛，但如果升阻力系数收敛，可以认为结果具有一定可信性。

后处理，与实际经验进行对比。导入ansys后处理软件，提取所需参数。（第一阶段终结）

Icem使用技巧汇总

这段时间笔者任务较多，因此接触到的模型只有一些简单轮廓的模型，但笔者从中发现，要想高效率的画网格，有时应该动动脑筋（感觉好像废话一样）。一般情况下不要墨守成规，比如一个内部奇异的水管，不奇异的地方完全可以用网格拉伸生成，奇异的地方再去划分块，会简单不少。

目前正在试算一飞翼模型，笔者先用结构网格绘制，经过多次调整，当网格数量保持在200w左右时，网格质量大于0.35.可以说是挺不错的。但笔者在求解过程中发现其收敛困难。当尝试一通宵求解后，确定收敛步数大约4000步。分析可能是一下原因：

网格数量超过计算机负载，导致求解过程缓慢。

此模型为包含机身，本来流动就比较复杂。

相邻网格之间体积距过大。

壁面网格节点分配不合理。

以上原因，一时半会还无法进行验证，因此笔者有尝试绘制非结构外场网格，控制网格数量（本身相同网格数下，非结构求解慢些）。

fluent可以模拟活塞在气缸内燃烧受热吗

可以。本案例利用Fluent中的In-Cylinder方法模拟发动机气缸内活塞运动导致的压力及温度变化，并将仿真结果与解析值进行比较。Fluent是上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。

fluent如何建立一个随时更新的变量

在fluent中，可以通过user-definedmemory（UDM）来建立随时更新的变量。步骤如下：

1、打开fluent软件，并加载模拟案例。

2、在左侧的“BoundaryConditions”面板中进入“User-DefinedMemory”选项卡。

3、点击“New”按钮，输入一个名称并选择该变量的数据类型，例如“udm_test”和“scalar”类型。

4、确认新建变量的设置，并点击“OK”按钮。

5、在fluent解算器中，可以通过UDM函数来对该变量进行读写操作。例如，使用C_UDMI函数来更新变量值：C_UDMI（c，t，0）=1.0；其中，c和t分别代表单元和时间步长，0是UDM的编号，1.0是UDM的新值。

6、在求解器运行过程中，UDM变量的值可以动态更新，并且可以在fluent中以图表或文件形式显示并保存。