基于FLUENT三種多相流模型的選擇及應(yīng)用說明

閆文標(biāo)

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

多相流是新成長起來的一門新興課程，其是基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)、Fluid assurance等科目的底子上的，在能源生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)上，具有非凡的意義。它廣泛存在于石油工業(yè)、航天技術(shù)、能源動力、環(huán)境等許多工業(yè)部門。多相流技術(shù)開始于1970年代，當(dāng)初的目的是用于海上大型氣田和凝析氣田的發(fā)展。但工業(yè)界對多相流的研究尚不成熟，對油井采出物，平臺結(jié)構(gòu)及工人施工的設(shè)計都不十分了解。由于原子能研發(fā)及載人航天技術(shù)的快速發(fā)展，動力及石油工業(yè)的引人，極大的發(fā)展了多相流的研究及其應(yīng)用。另一方面，隨著計算機技能和數(shù)值理論的飛速成長，對各種復(fù)雜流動的數(shù)值分析已達(dá)到滿足生產(chǎn)的要求。多相流數(shù)值模擬在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 多相流動模式

現(xiàn)在，在生活、生產(chǎn)中的大多數(shù)流動幾乎都是多相流動。氣、液和固體是多相流研究的物質(zhì)。一般多相流動中，相被界說為一種對混合在一起的流體及勢場有一定的慣性反映及彼此作用的可分辯的物質(zhì)。通常把含兩相或者兩相以上物質(zhì)的流體稱為多相流。比如說，在開采天然氣時，采出的天然氣中存在一些砂，泥等物質(zhì)。這就是一個很復(fù)雜的流動。在我們研究時，因為氣、液有流動性，稱之為流體。當(dāng)砂等固體摻雜到流體，若流速達(dá)到一定條件，可以將三者視為一體。故，在一定條件下處理氣、液、固體的流動問題。物質(zhì)混合流動是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)厄待解決的問題。最普通的多相流為兩相流。兩相以上的流動主要存在于石油產(chǎn)業(yè)中，如油、氣、水三相流，甚至油、氣、水、沙四相同時存在的流動。

多相流以兩相流動最為常見。主要有四種類型：氣—液兩相流體系（如抽吸），液—液兩相流體系（如浮選、洗刷），氣—固兩相流體系（如充滿粒子的流動、流化床等）和液—固兩相流體系（如泥漿流、沉降運動）。

2 多相流模型

在FLUENT中，使用歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法對多相流進行探究。歐拉-歐拉法觀察空間的點，記錄空間每個點上的物理量變化。歐拉-拉格朗日法觀察流體質(zhì)點，記錄每一質(zhì)點的每一位置和每一時間點的每個物理量變化。在多相流模型中，歐拉-歐拉方法用來研究連續(xù)介質(zhì)，屬于歐拉-歐拉型模型。

Fluent提供了三種歐拉-歐拉型多相流模型：VOF （Volume of Fluid） 模型、混合 （mixture）模型和Euler模型。

2.1 VOF模型（Volume of Fluid Model）

VOF模型一種應(yīng)用于固定的Euler網(wǎng)格上的界面追蹤技術(shù)。一般可以利用該模型得到互不相容流體間的交界面。該模型中，一套動量方程用于每一相流體，在整個計算域內(nèi)追蹤每一相所占有的體積率。VOF模型可以求得任意液-氣分界面的穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)分界面。特別對空氣和水的混合流動時，最好的方法就是利用VOF模型來研究。如在分離液相和氣相的移動界面的不可壓縮流流體中，運用VOF模型來實現(xiàn)體積/質(zhì)量守恒和界面捕獲。在對流計算中，VOF解決體積分?jǐn)?shù)的構(gòu)件[2]。在應(yīng)用中，若每個控制體中第一相的體積含量為β。如果β=0，則控制體不含第一相；β=1，則含第一相；0＜β＜1，則證明控制體有兩相交界面。另外，VOF模型采用體積分?jǐn)?shù)函數(shù)表示自由面的位置和流體所占的體積，這在計算機運行時，內(nèi)存占據(jù)小，方便快速計算。

2.2 混合模型（Mixture Model）

混合模型是一種簡化的兩（多） 相流模型，它的相可以是流體或顆粒，并被互相穿插的連續(xù)統(tǒng)一體。也用于相間速度有差異的兩（多）相流進行數(shù)值模擬，但是在短空間計算時，必須假設(shè)一部分相與相間耦合很強。同時也用于模擬有很強烈耦合的各向同性相流和各相以相度運動的兩（多） 相流。在VOF和Mixture多相流模型在空泡流模擬中的應(yīng)用，文中，采納了簡化了的混合模型，運用單一流體-空泡流體，來模擬忽略重力和考慮重力各相不同速度的多相流[3]。另外，混合模型也很適用于含氣泡的流體。在基于不同多相流模型的氣浮接觸區(qū)流動的模擬研究中，Mixture多相流模型對典型的氣浮接觸區(qū)流動進行動態(tài)模擬研究，研究氣泡在混合區(qū)中的均勻度、接觸和濃度變化[4]。混合模型也在旋風(fēng)分離器中應(yīng)用廣泛，這對除砂器的設(shè)計，有重要幫助。通常，在設(shè)計除砂器時，都是假設(shè)氣、砂兩相混合流，此時用混合模型研究，是最優(yōu)選擇。因為在多相流進入旋流分離器時，是速度有差別。

2.3 歐拉模型（Eulerian Model）

Euler模型是兩（多） 相流中非常繁雜的兩（多）相流模型，叫做流體模型。在模擬中，液、氣和固體可以隨意組合，也能互相作用，其中連續(xù)相與分散相被視為連續(xù)的一體。 就是運用了這一點。另外，Euler模型對每相使用Euler方法進行描述，然后列出動量方程和連續(xù)性方程，進行壓力和相間互換系數(shù)的耦合來進行計算。HF Meier；M.Mori在氣旋中的氣固流：歐拉-歐拉方法研究中，分別對清潔空氣流，稀釋后的空氣流和玻璃球顆粒采用歐拉模型，進行壓降測試，模擬常規(guī)旋風(fēng)分離器中的稀釋氣固流[5]。歐拉模型通常應(yīng)用于流化床和懸浮顆粒等。

3 應(yīng)用選擇基本原則

通常，你一旦知道了采納那種模型最符合現(xiàn)實的流體，那么就可以根據(jù)以下的原則來選取最好的模型。

3.1 VOF模型（Volume of Fluid Model）

用于流動清晰的相界面。適用的流型有活塞流、分層流型，還有自由流動表面。最優(yōu)模型就是空氣和水的流動模型。

3.2 混合模型（Mixture Model）

一種簡化的、各相以不同速度流動的多相流模型。在模型中，各相允許相互穿插。另外，還可以模擬各相以同一速度流動、耦合強的均勻多相流。混合模型沒有歐拉模型精確度高，當(dāng)相間曳力不容易測量時，混合模型是最好的選擇。當(dāng)分散相分布不集中如除砂器除砂時，分布很散，采用混合模型研究方便，快速。對于泥漿流和水力輸送，采納混合物模型

3.3 歐拉模型（Eulerian Model）

對于粒子流、流化床、沉降等可以采取歐拉模型。另外，如果分散相主要集中在一小塊區(qū)域中時，采用歐拉模型比較好，因為與混合模型相比較，歐拉模型計算精度高，那么計算區(qū)域集中的部分，用歐拉模型，精確分析，結(jié)果更準(zhǔn)確。對相間曳力規(guī)律明顯的流體流動，采納歐拉模型，是最好的選擇。

處理多相流時，根據(jù)研究或者事故最重要的流動特征，選擇最合適的模型，進行處理分析，建模，數(shù)值模擬。每種模型有優(yōu)點，但又有一定的缺陷，如，歐拉模型計算精確度比混合模型高，但是計算過程復(fù)雜，在一些復(fù)雜運算中，穩(wěn)定性也沒有混合模型穩(wěn)定。主要是因為解的收斂性受到了限制。

4 結(jié)語

選擇合適的多相流模型，然后利用多相流數(shù)值模擬的快捷，節(jié)約人力，結(jié)果便于分析等特點，對于多相流能更快速的分析與預(yù)測。這對石油工業(yè)、能源等領(lǐng)域非常重要。