自适应多尺寸组颗粒尺寸分布

自适应多尺寸组 (AMUSIG) 模型预测多相流体离散流态下的液滴或气泡的尺寸分布。

使用多组代表性的计算颗粒对液滴或气泡集合进行建模。每组由相同的颗粒组成，并具有自己的尺寸和（可选）自身的速度。针对每个网格单元中的每个尺寸组，求解群体平衡。破碎和聚结模型为每个平衡的生成和消灭源项提供主要贡献。其他相关效应包括颗粒扩散、加速、分离和相密度变化。平衡方程求解可得出组的局部颗粒数密度。颗粒直径可通过组的数密度和体积分数计算得出。

该方法为局部自适应，因此每个尺寸组携带大约相同份额的相质量或体积。这种方法很有效率，并从多速建模的计算开销中获益良多。分析尺寸分布和流之间的强相互作用时，需要进行此类建模。但是，自适应还意味着与组关联的颗粒尺寸可能会在网格单元之间逐渐发生变化。比较或整合域的不同部分中的组结果时要谨慎。

自适应多尺寸组模型具有两个版本：

  • 单速，用于对流体-尺寸相互作用平均建模。

    质量和动量方程在相级别进行求解，并假设所有颗粒尺寸组均以相速度发生对流。通过此选项，Simcenter STAR-CCM+ 可以对流和湍流对尺寸分布的影响建模。预测的平均颗粒尺寸将传递回流体计算。

  • 多速，用于对流体-尺寸相互作用完全建模。

    分别为每个颗粒尺寸组求解质量和动量方程。此选项成本较高，但如果流和局部尺寸分布之间存在较强的相互作用时，则成本较合理。例如，如果按尺寸分离颗粒，则此选项与流相关。如果浮力、湍流、聚结和破碎的相互作用导致不同颗粒尺寸的二次流模式有所不同，此选项也与流相关，从而进一步促进整体湍流和混合。

请参见自适应多尺寸组模型参考。

破碎和聚结模型

对于层流，聚结和破碎由连续相的剪切速率驱动。对于湍流，聚结和破碎由连续相的湍流尺度驱动。破碎率和聚结率对为连续相和颗粒引发的湍流选择的湍流模型具有一定敏感度。要使用不同的湍流模型获得可比较的结果，可能需要重新校准模型。

Simcenter STAR-CCM+ AMUSIG 破碎和聚结模型不适用于颗粒流体。但是，可以使用 AMUSIG 对颗粒流体中的固体颗粒相尺寸分布建模：对于相关应用，运用对聚结和破碎现象的理解和知识，根据需要校准幂次定律聚结和破碎模型。

有一组模型可用于描述不同应用的破碎和聚结过程：

  • Luo ([513]) 和 O’Rourke ([524]) 模型适用于湍流聚结。
  • Tsouris 和 Tavlarides ([515]) 模型、Martinez-Bazan ([515]) 模型、Kocamustafaogullari ([515]) 模型和 Coulaloglou 和 Eskin ([456]) 模型适用于湍流液体/液体和气泡流破碎。
  • 剪切感应破碎和聚结模型适用于层流。
  • 通用液膜导流聚结模型适用于层流和湍流。

聚结率模型包含碰撞率和聚结效率子模型。破碎率模型包含破碎率子模型和碎片颗粒尺寸分布子模型，可定义给定尺寸颗粒的移除项。所有比率模型都有一个整体标定常数，用户可以根据自身需求调整该常数。临界韦伯数为可调参数，与破碎率模型相关。

单个尺寸组足以对深舱或深塔中上升的稀释泡沫的静水膨胀建模。但是，要使碰撞/破碎研究有意义，建议至少使用三个组。AMUSIG 模型具有自适应性，可以使用少量组研究颗粒尺寸的显著和快速变化。增加组数可能会产生与分辨率无关的结果，作用类似于网格加密。计算成本确定了尺寸组数的实际上限。

有关主要破碎模型的概述，请参见破碎模型。有关更多详细信息，请参见 [515]。

有关主要聚结模型的概述，请参见聚结模型。有关更多详细信息，请参见 [513]。

D 值和尺寸过小分数

后处理颗粒尺寸分布是分析颗粒数据并从中提取有意义的信息的关键步骤。对于离散多相流模拟，Simcenter STAR-CCM+ 提供了提取颗粒尺寸分布信息的选项。后处理选项（如 D 值和尺寸过小分数）可用于 AMUSIG 模型，以按特定尺寸组分析颗粒尺寸分布。

D 值（也称为分离界限直径）是指特定的颗粒直径，样本中指定百分比（通常为 10%、50% 或 90%）的颗粒小于该直径。尺寸过小分数是指样本中小于指定尺寸（分离界限直径）的颗粒比例。

D 值和尺寸过小分数在许多应用中都是重要参数，如制药、化妆品、食品加工和工业流程，因为它会影响产品性能、稳定性和质量。

有关更多信息，请参见 AMUSIG 颗粒尺寸分布后处理。

限制和约束

自适应多尺寸组模型具有以下一般性限制：

  • AMUSIG 不适用于多流态模型或颗粒模型。
  • AMUSIG 是离散相模型，因此不适用于具有非牛顿流变的相。
  • AMUSIG 模型不能流经多孔区域或多孔挡板。获得的任何结果将毫无意义。
  • AMUSIG 模型不能通过大涡模拟运行。这种组合可能成本较高且不太精确。
  • 单速 AMUSIG 下提供了质量源和动量源。由于数密度方程没有相应的源项，因此该模型组合的价值有限。但是，如果源项在系统收敛时变为零，则该模型组合可用于在具有闭合或周期边界的系统中调节系统质量。
  • 对于压力边界上的回流，AMUSIG 不支持体积分数外插值边界条件。
  • AMUSIG 不支持混合平面交界面。
  • 颗粒流只能通过单速 AMUSIG 运行。但是，破碎和聚结幂次定律形式只为用于探索颗粒破碎和凝结建模。
  • 相级别的被动标量建模适用于单速和多速 AMUSIG 下的离散相。

以下限制仅适用于多速 AMUSIG：

  • 只有湍流响应模型可用于对离散相湍流建模。
  • 质量源和动量源不可用。
  • 用户势能力模型不可用。
  • 多组分模型不可用于离散相。
  • 某些高级场函数（如涡旋）不可用。