三十四、Fluent液体喷雾蒸发模拟

液体喷雾蒸发现象是生活中常见到的一种现象，广泛应用于化工行业，对Fluent进行设置可模拟这类现象。

本案例模拟甲醇在鼓风雾化器中的雾化，甲醇在被引入鼓风雾化器之前被冷却到-10℃。雾化器中有一股环形旋转的气流。同时为了简化模型，本模型使用了旋转周期性网格，只画了1/12即30°的模型。

3.1 导入网格：

使用Fluent软件打开Chapter34.msh.gz网格文件，文件在本文末尾链接资源内。

3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸保持默认即可，关于scale mesh详细设置查看Chapter31 Fluent空化模型

3.3 求解器设置

基于压力求解器，稳态设置

4.1 能量方程

打开能量方程

4.2 湍流模型设置

4.3 组分输运模型

打开组分输运模型，将mixture material更改为methyl-alcohol-air（甲醇空气混合物）

注：默认情况下这里的材料为mixture-template，想要出现methyl-alcohol-air需要在material面板下进行设置。设置好后此处才可选择methyl-alcohol-air

5.1 添加methyl-alcohol-air材料

Materials-Mixture

在Materials下，单击Mixture...，弹出如下面板，

单击Fluent Database，找到methyl-alcohol-air，点击copy

5.2 修改methyl-alcohol-air组分

单击copy后，回到methyl-alcohol-air属性设置界面。单击Mixture Species后的Edit

在Selected Species栏下将h2o和co2移出，表示methyl-alcohol-air混合物组分只有ch3oh、o2、n2

6.1 周期性边界条件

分别单击Periodic的periodic-a和periodic-b，将Periodic Type栏改为Rotational，这里主要是将两个周期性边界改为旋转周期性，默认为平移性周期。

6.2 inlet边界设置

选择central_air，将边界类型改为质量流量入口mass  flow inlet，双击central_air边界，弹出如下界面

Mass flow Rate：输入9.167e-5

Direction Specification Method：选择Direction Vector。X和Y方向输入为0，Z方向输入1，表示流动方向为Z方向

Specification Method：选择 Intensity and Hydraulic Diameter

Turbulent Intensity：输入10 .

Hydraulic Diameter：输入0.0037m

注：湍流边界具体设置可查看文章Chapter33

三十三、Fluent边界条件湍流参数设置详解

单击Thermal 栏，在Total Temperature输入温度293K

单击Species 栏，在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23

注：通过5材料设置可知，methyl-alcohol-air混合物组分只有ch3oh、o2、n2三种，其中o2组分质量分数设置为0.23，ch3oh质量分数设置为0，则n2质量分数为1-0.23。

选择co-flow-air，将边界类型改为速度入口Velocity inlet，双击co-flow-air边界，弹出如下界面

Velocity Magnitude速度大小设置为1m/s 

Specification Method：选择 Intensity and Hydraulic Diameter

Turbulent Intensity：输入5

Hydraulic Diameter：输入0.0726m

单击Thermal 栏，在Total Temperature输入温度293K

单击Species 栏，在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23

选择swirling_air，将边界类型改为速度入口Velocity inlet，双击swirling_air边界，弹出如下界面

Velocity Specification Method：速度设置方法设置为Magnitude and Direction，表示通过设置速度大小和方向设置速度

Velocity Magnitude速度大小设置为19m/s 

Coordinate System坐标系：选择Cylindrical (Radial, Tangential, Axial) 柱坐标。

Radial-Component of Flow Direction设置为0，径向速度分量设置为0；

Tangential-Component of Flow Direction设置为0.7071，切向速度分量设置为0.7071；

Axial-Component of Flow Direction设置为0.7071，轴向速度分量设置为0.7071；

Specification Method：选择 Intensity and Hydraulic Diameter

Turbulent Intensity：输入5

Hydraulic Diameter：输入0.0043m

单击Thermal 栏，在Total Temperature输入温度293K

单击Species 栏，在Species Mass Fractions o2栏输入组分质量分数为0.23

6.3 wall边界设置

选择outer-wall，将边界类型改为速度入口wall，双击outer-wall边界，弹出如下界面

7.1 求解方法

7.2 求解控制

Solution-Solution Controls

保持默认即可

8.3 残差设置

残差设置保持默认即可

选择Hybrid Initialization

注：对于复杂模型的流场，混合初始化比标准初始化更好，能够提供更好的速度场和压力场，有助于提高收敛性。

Time Step Method 设置为User-Specified 用户自定义，伪时间步长Pseudo Time Step Size设置为1s，迭代次数设置为150步

10.1 新建剪切面

Results → Surface → Create → Iso-Surface...

New Surface Name：输入新建面的名称为angle=15 .

Surface of Constant栏：选择 Mesh...and Angular Coordinate

点击Compute计算最大最小的角度值.

 Iso-Values：输入15

10.2 速度云图

想要出现入口方向箭头，需要勾选Draw mesh

速度云图

10.3 旋转环形空气流迹线

View-views-Periodic Repeats-Define

单击Define，显示下图，

从Associated Surfaces 选择 atomizer-wall

Periodic Type 选择 Rotational 

Number of Repeats设置为12

注：这部分的设置主要是显示周期性网格，从Associated Surfaces中选择某些面表示对这些面进行周期性显示，Periodic Type 选择 Rotational 表示旋转周期，Number of Repeats设置为12表示显示12个周期，由于模型只有30°，因此12个周期为一个完整的圆。

Results → Graphics → Pathlines → New...

Draw mesh主要是为了显示部分物理模型，Path Skip设置为5，用于简化迹线数量。Release from Surfaces 选择swirling_air，表示显示swirling_air部分的迹线

Physics → Models → Discrete Phase...

回到Models界面，双击 Discrete Phase，弹出如下界面

勾选Interaction with Continuous Phase，考虑离散相轨迹对连续相的影响

DPM Iteration Interval：输入10

在Contour Plots for DPM Variables栏勾选Mean Values，后处理界面使用平均值显示

勾选Unsteady Particle Tracking

Particle Time Step Size：输入0.0001

Number of Time Steps：输入10

在Physical Models栏,勾选 Temperature Dependent Latent Heat 和Breakup

注：勾选Temperature Dependent Latent Heat ，表示考虑液滴温度对潜热的影响；勾选Breakup表示考虑液滴的破碎

在Numerics栏, 勾选Linearize Source Terms (Source Terms group)，使源项线性化，可加快收敛

单击Create，开始创建液滴喷射入口injection

在Set Injection Properties 界面：

Injection Type：选择 air-blast-atomizer鼓风雾化器

Number of Streams：输入600，表示每个时间步有600个液滴颗粒喷射进计算域

Particle Type ：勾选Droplet

Material drop-down list：勾选methyl-alcohol-liquid

在Point Properties栏：

保持 X-Position和Y-Position为默认值0

Z-Position：输入0.0015

X-Axis, Y-Axis和Z-Axis：分别设置为0，0，1

Temperature：输入263 K

 Flow Rate：输入8.5e-5 kg/s

Start Time：0 s

Stop Time：100 s

Injector Inner Diameter：0.0035m

Injector Outer Diameter：0.0045m

Spray Half Angle：45 degrees，喷射角是液层轨迹与喷射器中心线之间的夹角。

Relative Velocity：82.6 m/s，相对速度是雾化空气和液层之间的预期相对速度。

 Azimuthal Start Angle ：保持默认0

 Azimuthal Stop Angle：设置30，由于模型只构建了30°，因此喷射角度只有30°

在Physical Models栏下：

勾选Enable Breakup

Breakup Model：选择TAB

y0和Breakup Parcels：保持默认值；分别为0和2

Drag Law：选择dynamic-drag

在Turbulent Dispersion栏

勾选Discrete Random Walk Model和Random Eddy Lifetime，这些模型将考虑液滴的湍流扩散

Setup →  Materials →   methyl-alcohol-liquid → Create/Edit...

回到材料设置界面，双击methyl-alcohol-liquid 

弹出如下界面

Material Type：选择droplet-particle

Viscosity：0.00095 kg/m-s 

Saturation Vapor Pressure：选择piecewise-linear

Vaporization/Boiling Model：选择convection/diffusion-controlled

点击Change Create，并关闭此窗口

求解控制，将离散相的松弛因子设置为0.9

勾选Show Advanced Options，Convergence Criterion 选择none，每个时间步不检查收敛性

与9. 计算设置相同，计算300步

16.1 查看液体粒子轨迹

Results → Graphics → Particle Tracks → New...

Particle Tracks Name：particle-tracks-droplets

勾选 Draw Mesh，弹出mesh窗口，保持默认即可

Particle Variables...勾选Particle Diameter

Release from Injections：勾选 injection-0 

单击Save/Display，则显示下图

注：想要不显示完整的雾化器模型，需要在View-Views-Periodic RepeatsJ进行设置

16.2 查看索特平均直径

Results → Graphics → Contours → New...

Contour Name：输入contour-dpm-sauter-diameter

Contours of：分别选择 Discrete Phase Variables... 和 DPM D32

Surfaces：选择angle=15

16.3 查看DPM平均速度

Results → Graphics → Vectors → New...

Vector Name：输入vector-dpm-vel

Vectors of：选择dpm-mean-velocity

Color by：分别选择 Discrete Phase Variables... 和DPM Velocity Magnitude

Style：选择arrow

Scale：输入7

Surfaces：选择angle=15

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