基于CFD两相流的混合效果计算研究

22天前浏览10064

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了一种基于CFD的方法来验证混合器的混合效果。通过使用Ansys Workbench Cfx软件进行计算，包括几何模型处理、网格划分、求解设置、求解和结果提取等步骤。在求解设置中，采用SST湍流模型、标准壁面函数和体积分数云图等方法。计算结果显示，有混合模块的工况下，流体介质1和2的体积分数在整个横截面上比较均匀，混合效果较好。

1.计算目的

为了衡量某混合器的混合效果，本文采用基于CFD的方法对某混合装置的混合效果进行了验证。

2.计算方法

具体的完成这一工作则是通过商用流体计算软件Ansys Workbench Cfx 来完成的，其基本计算流程包括几何模型处理，网格划分，求解设置，求解，结果提取等几个步骤。
通过三维建模软件UG进行几何模型的绘制，并将其导入workbench求解模块的几何中，采用非结构网格进行划分，并在混合模块处进行必要的网格加密。

3.物性输入

物体1：
粘度：500Pa*s;
密度：0.45kg/l=450kg/m^3
速度：7kg/hr;
物体2：
粘度：0.01Pa*s;
密度：0.5kg/l= 500kg/m^3
速度：0.15kg/hr;
这些参数可以在CFX中插入新物质。
这里需要注意的是，由于该计算更多关注流动问题，因此只需要设定液体的密度和粘度，而不需要设定其他参数。

4.求解设置

在求解设置中，通过在求解区域设定两种材料，不考虑传热效果，湍流模型采用SST模型，标准壁面函数，对于两种流体间，考虑两者之间的各种分子间相互作用力。在进口中心处给定体积分数为1的流体介质2(纯流体介质2)，而其他部分则给定体积分数为1的流体介质1(纯流体介质1)，两者质量流量满足97:3的要求。为了便于计算收敛，模型进出口进行了适当延长。计算采用稳态求解器，即不考虑时间因素对计算结果的影响。
采用稳态求解方式。同时为了说明混合效果，进行对比研究，即对存在混合模块和不存在混合模块两种工况进行对比计算研究。

5.计算结果

在后处理中，由于重点关注的是混合效果。因此，对两种物质的体积分数(Volume fraction)进行提取。具体提取的是圆管中心截面处和模型进出口的Fluid1和Fluid2的体积分数云图。如下图所示。

(a)无混合模块 (b)有混合模块

图1 有无混合模块的流体介质1在管道中间截面体积分数

(a)无混合模块 (b)有混合模块

图2 有无混合模块的流体介质1在管道进出口截面体积分数

(a)无混合模块 (b)有混合模块
图3 有无混合模块的流体介质2在管道中间截面体积分数

(a)无混合模块 (b)有混合模块

图4 有无混合模块的流体介质2在管道进出口截面体积分数

从图1可以看出，无混合模块的中截面，流体介质1的体积分数在管道两侧较高，而在管道中间较小，基本保持了进口处体积分数趋势，两种流体混合效果较差。而对有混合模块的情况，由于混合模块对流体的阻挡作用，在流体遇到混合模块之前两者就已经进行了混合，即流体没有通畅的通过管道，而在混合模块之前出现了“拥堵”现象，流体介质流动轨迹发生了变化，这种现象有助于两种流体的混合，可以看出，在该种情况下，管道出口流体介质1的体积分数在整个横截面上比较均匀。这从图2也可以看出，即进口截面，中心处流体1的体积分数为0，而周围为1；在出口处，无混合模块的管道，仅仅在中心区域发生了某些微小的混合，而有混合模块情况，出口整个截面体积分数都比较高，接近1.
图3和图4是针对流体介质2的情况，可以看出其体积分数的云图与图1和2中云图的趋势刚好相反，这是因为两种流体介质的体积分数满足相加为1的条件。
如果采用定量的方式对结果进行分析，即提取流体介质1在管道中心线上体积分数变化情况。可得到如下曲线图。

(a)无混合模块 (b)有混合模块

图5 有无混合模块的流体介质1在管道中心线上体积分数变化示意图

图5展示了流体介质1在管道中心线上体积分数变化情况，从图可以看出，对于无混合模块的工况，其体积分数始终保持在较低的水平，而对于有混合模块的情况，在管道入口处流体介质1的体积分数保持了较低的水平，但是随着混合流体接近混合模块，其体积分数逐渐上升，在管道出口，体积分数可达到90%以上，从而达到了很好的混合效果。