DPM颗粒模型

1 学习笔记

0、Fluent 颗粒流

Fluent 有 3 种颗粒模拟方法

1. 欧拉颗粒流（双流体模型）：把颗粒当做连续介质处理，优点是计算量小，但需要更多的相互作用模型，比如阻力等，多用于流化床。
2. DPM 模型（离散相模型）：DPM 模型之间不考虑碰撞也不考虑体积空间，适用于流体占主导作用的，颗粒占比不超过 10%。模拟一般灰尘、气溶胶等小颗粒的运动，也经常配合化学反应。
3. DDPM 模型（稠密离散相模型）：DDPM 是 Dense Discrete Phase Model 的缩写，是专门用来模拟例如流化床这种稠密颗粒流的模型，可以理解为简化了的 DEM。他和 DPM 的区别就是考虑了体积分数，是有孔隙率的，后处理中能够查看颗粒所占的体积分数，在相间相互作用力也可以考虑颗粒之间的碰撞，但是对于碰撞的计算是进行了模化的，不是用软球模型计算真实的碰撞过程，颗粒间的碰撞产生的力是根据 KTGF 下颗粒的 stress tensori 计算得到。
4. DEM 离散元模型：可考虑颗粒的真实碰撞，可采用弹性 弹性阻尼 赫兹 赫兹阻尼碰撞模型，一般 DDPM+DEM 一起使用

1、耦合

1. 单向耦合
2. 双向耦合

1.1 单向耦合

单向耦合：离散相对连续相影响很小无需设置相间耦合.

单向耦合问题：只要在加入离散相粒子前计算连续相流场直至收敛，然后打开离散相模型，加入离散相粒子，无需迭代计算因为已经计算收敛流场稳定了.

连续相（也就是流场）计算可以是 steady（定常/稳态流场）也可以是 unsteady（非定常/瞬态/transient）。这两种连续相的流场中离散相计算都可以用非耦合粒子计算。

单相耦合计算不考虑离散相对连续相的影响，离散相的动量、质量、温度等信息不会反馈给流场，因为流场事先已经计算收敛了，不能变了，当开 DPM 时候，就是通过流场的信息计算 DPM 了，简单说是流场产生 DPM 场的概念。

1.2 双向耦合

耦合计算的步骤：

1. 求解连续相流场（在引入离散相之前））
2. 通过计算每个离散相注入的粒子轨迹来引入离散相。
3. 使用先前粒子计算期间确定的动量、热量和质量的相间交换，重新计算连续相流。
4. 重新计算修改的连续相流场中的离散相轨迹。
5. 重复前两个步骤，直到获得收敛解，其中连续相流场和离散相颗粒轨迹在每次附加计算 中都保持不变。

2、DPM 边界条件

1. escape 逃逸：颗粒离开流体域
2. trap：被捕获吸收
3. reflect：反弹，一般用于壁面上，需要指定反射系数
4. wall jet：壁面射流，颗粒触碰壁面后会分成更小的颗粒继续流动
5. wall film：需要打开壁面液膜模型，与 wall jet 相似
6. reinject：当颗粒达到某个计算域边界时，将粒子重新引入域。

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3、粒子方向

Inject Using Face Normal Direction：开启这个选项后，粒子在入射时的速度方向将与面法向一致，这样就无需定义颗粒在 x、y、z 三个方向的速度分量，只需要定义速度值；

4、粒子射入类型

https://zhuanlan.zhihu.com/p/532180420

5、颗粒碰撞

https://zhuanlan.zhihu.com/p/621078742

6、颗粒其他作用

2 案例：颗粒搅拌

1、重力项

2、离散相模型

打开【交互】-【与连续相的交互】

• 每次流动迭代更新 DPM 源项：意思是每 10 个流动迭代更新一下颗粒的数量变化，这个都给他勾选上，颗粒破碎，被壁面捕获，更改质量流量都会使数量发生变化。
• DPM 迭代间隔：连续相每次迭代 10 步，开始进行离散相的计算。（不收敛可调小）
• 颗粒时时间步大小：如为 0.001s 代表颗粒相每 0.001s 追踪一次，但是，在开始计算阶段，粒子一边释放一边追踪，释放完成后也在追踪。（不收敛可调小）
• 最大步数和步长因子：Max number of steps 和 Specify Length Scale，每一次轨迹跟踪的最大积分时间步数和积分长度标尺，都是为了确定积分时间步长 ∆t。选择 Specify Length Scale 选项以确定积分时间步长时，积分时间步长约等于所给的长度尺度（Length Scale）除以颗粒相对于连续相的速度大小。而积分步数约等于颗粒时间步长（Particle Time Step Size）除以积分时间步长，但以 Max Number of Steps 为限（因此：积分时间步长 ∆t<颗粒时间步长 Particle Time Step Size∆tp）。所以，如 Max Number of Steps 不够大，则未到颗粒时间步长就结束一个颗粒时间步，并转入下一个颗粒时间步，因而颗粒终了状态报告为 incomplete。

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设置喷射源

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3、追踪颗粒轨迹

创建颗粒轨迹

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创建颗粒场景并保存

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创建解决方案动画

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4、导出颗粒数据

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3 喷头模拟

碳酸氢钠性质

密度：2.16 g/mL 直径：在 0.1-10mm 之间

20230829

使用之前的网格，只有喷嘴和场域，出口 5MPa 和出口 2MPa 都发散。 想到昨天尝试的将出口都改为压力出口（包括计算域的 edge）计算较好，今天再试一下，但还是发散。 使用昨天的设置再跑一边，只不过加入离散相。但是昨天加入了 VOF 模型，现在关闭了。 成功设置 1、瞬态 2、能量 3、标准 k-e，标准壁面 4、离散相模型： 直径 0.0001，温度 300K，停止时间 1e-5，总流量 100000 5、材料 6、边界条件 压力进口（ecapse） 压力出口 edge（reflect） 7、方法 PISO 方法 8、残差 1e-06 9、步长 时间步长 0.01 时间步数 100

20230905

截止今日，在雪研师姐电脑上已经模拟完成渐扩喷头 2MPa 和 5MPa，在自己电脑上渐扩喷头（带孔）2MPa，步长 1e-6，共 1000 步。但是模拟出的粒子速度太大，现在想要使用 udf 改变压力边界条件，呈现一个递减的趋势，气体使用真实气体状态方程进行模拟，密度基求解器。

#include "udf.h"
DEFINE_PROFILE(inlet_x,thread,index)
{
	real y,v0,h0;
	real x[ND_ND];
	face_t f;
	real flow_time = CURRENT_TIME;  // 获取当前模拟的时间
	begin_f_loop(f,thread)
	{
		if(flow_time >=0 && flow_time <= 0.05 )
			F_PROFILE(f,thread,index) = 2000000 - 40000000 * flow_time;
		else
			F_PROFILE(f,thread,index) = 0;
	}
	end_f_loop(f,thread)
}

为了能使粒子喷出后分散均匀，共设计 6 种喷头结构，分别为渐扩喷头、渐扩喷头（带孔）、拉法尔喷头、拉法尔喷头（带孔）、蘑菇喷头和蘑菇喷头（带孔）。 喷嘴尺寸：

喷嘴网格：

空气

使用高压空气作为驱动气充入喷粉罐中，空气携带粒子以 2MPa 和 5MPa 的压力喷出。压力以 40MPa/s 速度衰减，在 50ms 时衰减为 0。 使用理想气体，密度变化。

粒子

抑爆剂粒子选用 NaHCO3 粒子，密度为 2.16g/cm³，比热为 2170J/(kg K) 粒子的直径分布在 1~100um 范围内，平均直径为 50um，共 10 种粒子大小。 粒子总质量 100g，在 50ms 内喷完。即产生速率为 2kg/s。（假设阀门 50ms 打开） 粒子速度为 0.1m/s 从壁面出来 双向耦合，考虑粒子的碰撞

求解器设置：

因喷出速度较大，求解器选用密度基。