【技术】FLUENT模拟气泡破碎与凝聚：探索微观世界

FLUENT的附加模型population balance model可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本例使用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚现象。

1、模型描述

计算域几何如图1所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部inlet入口进入，从outlet出口流出。几何尺寸如图所示。由于本例的轴对称特征，因此采用轴对称模型。注意：FLUENT的2D轴对称模型要求对称轴为x轴。计算域模型如图2所示。Axis沿着x轴方向，后边的重力加速度即沿着x轴负方向。划分网格，生成msh文件。

图1 几何模型

图2 计算域模型

2、导入网格

启动Fluent，读入上一步生成的msh文件。Scale计算域，检查是否在正确的尺寸上。选择[Transient]模拟，设置重力方向x轴负方向，并且设置2D Space为Axisymmetric。如图3所示。

图3 基本设置

3、选择模型

激活PBM模型需要通过TUI命令。在TUI窗口中输入define/models/addon-module，然后输入yes回车即可激活PBM模型。

多相流模型选择Eulerian模型 ，欧拉相数量为2。如图4所示。

图4 多相流模型

湍流模型选择标准k-e模型 ，标准壁面函数。湍流多相流模型采用mixture，如图5所示。

图5 湍流模型

双击models中的population balance模型，选择discrete，进入图6所示对话框，进行如图所示设置。

图6 PBM设置

具体含义可以参考fluent PBM手册，这里简要的说明一下。

Kv为增长因子，geometric ratio为几何对数方法，与后面的ratio exponent相对应。

Bins为直径的数量，这里共有6组直径气泡，最小直径0.001191，最大直径是根据kv及ratio计算出来的。

勾选aggregation kernel及breakage kernel，选择aggregation kernel方法为luo-model，这时会弹出表面张力系数设置，输入0.07。

Frequency选择luo-model方法，同样设置表面张力系数0.07

OK，模型设置到此结束。

4、材料及相设置

添加材料water-liquid，材料属性保持默认。

设置water-liquid为主相，air为第二相。第二相的diameter方法为sauter-mean 。若设置相在设置PBM之前，则PBM会自动修改此项。

相间作用可以不用设置。

5、设置计算域

设置operating conditions，设置参考密度为空气密度1.225，如图7所示。

图7 operating conditions设置

6、边界条件设置

确保axis边界类型为axis。

所有的wall边界保持默认，即no slip壁面边界。

（1）Velocity inlet边界：

设置mixture相：如图8所示，设置湍流参数。

图8 入口mixture相设置

设置air相：

设置momentum标签页下的速度为0.02m/s。进入multiphase标签页，进行如图9所示设置。

图9 入口设置

设置volume fraction为1，表示进入的全部为air。

设置bin-3-fraction为1，其他全部为0。表示进入的气泡粒径为bin-3。

（2）设置pressure outlet边界

Mixture相：如图10进行设置。

图10 出口边界

Air相：

与入口air相类似，只需要设置multiphase标签页，如图11所示。设置backflow volume fraction为1，设置bin-3-fraction为1，表示出口全为bin-3粒径的air。

图11 出口设置

7、求解控制

Solution methods及solution controls并没有特殊要求，可以采用默认设置。

可以利用坐标创建点，利用Monitor检测指定粒径的气泡含量，如图12所示。

图12 监测

本例检测点（1.5,0）位置的bin0,bin3,bin5体积分数。

用户可以自己定义监测位置及检测变量。

8、初始化

设置湍动能0.1，湍流耗散率0.25，air bin-3-fraction为1，点击initialize进行初始化。

同时还需要patch区域。

进入菜单【adapt】>【Region…】，如图13所示对话框进行设置。所标记的区域位于(1.8,0)与（2,0.145,）之间。即高度1.8m以上区域。我们patch该区域全为粒径bin3的气体。

图13 区域标记

点击patch按钮，进入如图14所示对话框。

图14 patch区域气泡粒径

图15 patch区域体积分数为气体

9、求解计算

设置time step size为0.01s，设置number of time steps为5000，同时设置max iterations/Time step为100，如图16所示。

图16 求解计算

10、计算后处理

可以观察气泡粒径分布云图等，如图17所示为气泡粒径分布。

图17 粒径分布云图

也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图分布。

图18 直方图设置

图19 直方图显示

作者：研发埠合作讲师流沙

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