多相流搅拌器 练习 7

多相流搅拌器 本练习涉及的技术特点 CFX-Pre中 多流体域 旋转参考坐标系 湍流模型 Dispersed Phase Zero Equation Fluid-Dependent Turbulence Model k-Epsilon 多相流 CFX-Post中 标准面 切片面 数量计算

导入网格 创建一个新的模拟文件，命名为MultiphaseMixer 导入混合池网格: MixerTank.geo 导入叶片网格: MixerImpellerMesh.gtm

修改叶片网格 由于叶片的导入后的位置不正确，需要沿x轴正向移动 0.275 m 选择 Assembly2 点击 Transform Mesh Assembly 按钮 使用如下图所示的设置:

创建叶片流体域 创建一个流体域命名为 impeller, 并将 Location设为Assembly2 将fluid list 项设为: Air at 25C and Water Reference pressure 设为 0 [atm] Buoyancy项中的重力矢量为： (-9.81, 0, 0) , 参考密度 (water)为 997 [kg m^-3] 流体域的旋转角速度为84 [rev min^-1] 旋转轴为X轴

创建叶片流体域 在Fluid Models 栏中: 保持 Homogeneous Model 未选中 保持 Free Surface Model 和 Heat Transfer Model 的默认选项 None Turbulence Model 设为Fluid Dependent 保持Reaction or Combustion Model and Thermal Radiation Model的默认选项None

创建叶片流体域 在 Fluid Details 栏中: 在 Air at 25 C相, 将Morphology 设为 Dispersed Fluid, Mean Diameter设为 3 [mm] Turbulence Model选为: Dispersed Phase Zero Equation 在 Water相, 将 Morphology 设为 Continuous Fluid Turbulence Model设为 k-Epsilon, Turbulent Wall Functions 设为 Scaleable 保持 Buoyancy Turbulence 默认项为 None

创建叶片流体域

创建叶片流体域 选中Fluid Pairs 栏: 选中 Surface Tension Coefficient项，设为 0.073 [N m^-1] Interphase transfer Model项保持默认项为Particle Model 在Momentum Transfer 框中的 Drag force项设为 Grace，选中Volume Fraction Correction Exponent，设为4 展开 Non-drag forces 框，将Turbulent Dispersion Force设为 Lopez de Bertodano ，将Turbulent Dispersion Coefficient 值设为 0.1 Turbulence Transfer项设为 Sato Enhanced Eddy Viscosity 保持Mass Transfer的默认项为None

创建混合池流体域 点击Duplicate Select Object按钮，复制一个叶片流体域，并重新命名为 tank. 在 General Options 中, location设为 Assembly ，Domain Motion 设为Stationary 保持其他设置不变 点击 OK 完成流体域的修改. 在the Physics 栏, 删除impeller Default boundary condition object.

边界条件 创建如下所列的边界条件: 空气进入混合器的进口 尾气出口, 只允许气体相离开流体域 用于叶片和隔板的薄面 旋转域中的轮毂和轴壁面. 相对于旋转域来说是静止面 在静止域中的轴壁面. 相对于静止域来说是旋转面. 搅拌器和叶片间的周期性交界面

空气进口边界 在tank域中创建一个边界条件，命名为 Airin 在Basic Settings 栏中, Boundary Type 设为Inlet , Location 设为 INLET DIPTUBE 在 Boundary Details中, Flow regime设为 Subsonic, Mass and Momentum 设为 Fluid Velocity 在Fluid Values栏中, Air at 25C 选Normal Speed, 数值设为 5 [m s^-1], Volume Fraction 设为 1. Water 选 Normal Speed ,数值设为 5 [m s^-1] , Volume Fraction 设为0. 点击 OK 完成边界条件的创建.

脱气出口边界 在tank流体域中创建一个边界条件，命名为 LiquidSurface 在Basic Settings 栏中, Boundary Type 设为 Outlet, Location 设为: WALL LIQUID SURFACE 在Boundary Details栏中, Flow regime 设为Subsonic, Mass and Momentum 设为 Degassing Condition 点击 OK 完成边界条件的创建.

隔板薄面 在tank流体域中创建一个边界条件，命名为 Baffle 在Basic Settings 栏中, Boundary Type 设为 Wall, Location 设为: WALL BAFFLES 保持 Boundary Details 中的其他默认项 在 Fluid Values 栏中, Air at 25C相的Wall Influence on Flow项设为 Free Slip Water相的 Wall Influence on Flow项设为 No Slip Free Slip 条件用于气体相含量特别低接近0处的边界条件. 点击 OK 完成边界条件的创建.

轴的壁面条件 由于轴所在地tank流体域是不旋转的, 需要定义一个运动面来说明轴旋转 在tank流体域中创建一个边界条件，命名为TankShaft 在Basic Settings 栏中, Boundary Type 设为Wall, Location 设为: WALL SHAFT and WALL SHAFT CENTER 保持 Boundary Details 的其他默认项 在Fluid Values 栏中, the Air at 25C的 Wall Influence on Flow项设为 No Slip 选中 Wall Velocity项设为Rotating Wall, 其角速度设为 84 [rev min ^-1] Axis Definition 设为Coordinate Axis, Rotation Axis 设为 Global X Water相设置和 Air at 25 C相同 点击 OK 完成边界条件的创建.

叶片边界条件 在 impeller 流体域中创建一个边界条件，命名为 Blade. 在 Basic Settings栏中, Boundary Type 设为Wall, Location 设为 BLADE Blade region 只包括叶片的一侧面, 我们需要选中Create Thin surface partner项 来包括叶片的另一侧面. 保持 Boundary Details 其他的默认项 在Fluid Values 栏中, Air at 25C的 Wall Influence on Flow项设为Free Slip Water相的 Wall Influence on Flow项设为No Slip 点击 OK 完成边界条件的创建.

叶片轴边界条件 在 impeller 流体域中创建一个边界条件，命名为 HubShaft 在 Basic Settings 栏中, Boundary Type 设为Wall , Location 设为 Hub, Shaft 保持 Boundary Details 中的默认项 在Fluid Values 栏中, Air at 25C的 Wall Influence on Flow项设为Free Slip Water 相的 Wall Influence on Flow 设为 No Slip 点击 OK 完成边界条件的创建.

修改 Default Wall设置 在Physics sector tree中, 用如下设置编辑 tankDefault 在Fluid Values 栏中, Air at 25C的 Wall Influence on Flow项设为 Free Slip Water相的 Wall Influence on Flow项设为 No Slip 点击 OK完成 tank流体域边界条件的修改.

创建交界面 分别对impeller和tank创建两个周期性交界面, - ImpellerPeriodic - TankPeriodic 在impeller 和 tank 间创建三个 fluid-fluid Frozen Rotor 交界面 - Top - Bottom - Outer

周期性交界面边界

Frozen Rotor 交界面

设定初始值 点击 Global Initialisation 按钮 在 Global Settings 栏中, Static Pressure项保持默认项 Automatic 在 Fluid Settings 栏中, Air 25C选 Cartesian Velocity Components, 保持默认 项 Automatic, Volume Fraction, 设为 Automatic ，数值设为 0. Water相, 选 Cartesian Velocity Components, 保持默认项 Automatic 选中 Velocity Scale 设为 0 [m s^-1], Volume Fraction项, 保持默认项Automatic. (CFX 自动设为 1) Turbulence Kinetic Energy保持默认项 Automatic Turbulence Eddy Disipation 保持默认项 Automatic 点击 OK 完成初始画设置.

CEL & Solver Control 在求解过程中监视一个表达式的数值变化是非常有用的功能，本例中可以监测在池中的空气体积含量的变化。建立如下的表达式： TankAirHoldUp = volumeAve(Air at 25 C.vf)@tank ImpellerAirHoldUp = volumeAve(Air at 25 C.vf)@impeller TotalAirHoldUp = (volume()@tank*TankAirHoldUp+volume()@ impeller*ImpellerAirHoldUp)/(volume()@tank+volume()@impeller) 监视TotalAirHoldUp的数值 点击 Solver Control 按钮 在 Basic Settings 栏中, 保持AdvectionScheme的默认项High Resolution Convergence Control中, Time Scale 设为Physical Timescale,数值设为 2 [s] Max.No.Iterations 设为100, 其他的收敛标准设为默认值. 点击OK完成求解器参数设置.

输出控制/写文件 为了方便在后处理中显示力和力矩，需要在计算结果文件中写入额外的数据，设置如下: Create > Flow Objects > Output Control 在 Results 栏中, 选中 Output Boundary Flows 设为 All. 点击OK 点击 Write Solver (.def) File 按钮 选中 Report Summary of Interface Connections 点击 OK Select File > Quit 当提示Save the CFX file时,点击 Yes .

计算求解

显示混合过程 使用defined by 3 points 的方法建立一个 plane : (1,0,0) (0,1,-0.9), (0,0,0), 使用Air at 25 C.的体积含量比来染色 改变变量为 Pressure,设为 local range 使用Stn 中的 Water相速度在 plane 1上创建一个速度矢量图 双击Tank Default, 用Water.Wall Shear染色 使用 Calculator, 计算 Blade 域作用在 X 轴上的力矩