初始和边界颗粒尺寸分布

Simcenter STAR-CCM+ 对初始条件进行一次采样,然后尝试使用一些组来近似每种方法的累积分布。它在每次迭代时对流入条件重新采样,可以根据边界旁边的收敛流内的条件贡献给不同大小的组。

AMUSIG 方法是基于体积的方法,即:在每个点上,所有尺寸组均具有大致相同的体积分数。初始条件和边界条件也据体积分布进行设定。直径小于或等于 d 的所有颗粒(液滴、气泡)的体积分数为:

图 1. EQUATION_DISPLAY
αdF(d)
(2294)

其中,αd 为离散相的体积分数,F(d) 为累积尺寸分布 (CSD)。

AMUSIG 方法表示离散相作为尺寸组的整体,因此该方法的 CSD 具有阶梯形状,如下所示。

表 1. 通过 AMUSIG 方法得出的 Rosin-Rammler 分布及其近似:5 个尺寸组(左)和 20 个尺寸组(右)。




F 增量的位置对应于相应尺寸组的组直径;F 的所有增量均具有相同的高度。

为了通过 AMUSIG 方法近似连续分布,假设每个增量的中间(5 个尺寸组图(左上)中的点)属于该曲线。对于 M 尺寸组,ith 尺寸组的直径将计算为以下方程的求解:

图 2. EQUATION_DISPLAY
F(di)=2i−12M,i=1,...,M
(2295)

近似的质量随着尺寸组数而增加。但是,可以确认较少组数(例如 M=5)捕捉的分布的主要特征,例如 d43、d32。

下面介绍了 AMUSIG 方法中使用的分布。

均匀分布

此分布假设颗粒在最小尺寸和最大尺寸之间均匀分布:

图 3. EQUATION_DISPLAY
F(d)={0,d<dmin⁡(d−dmin⁡)(dmax⁡−dmin⁡),dmin⁡≤d≤dmax⁡1,d>dmax⁡
(2296)

其中,dmin 为最小直径,dmax 为最大直径。

大多数情况下建议均匀分布,因为这样可以轻松控制尺寸分布。在许多情况下,初始(入口)分布只是近似已知,对求解影响不大,因此指定最大尺寸和最小尺寸便已足够。

均匀分布的平均直径为:

图 4. EQUATION_DISPLAY
dpq=(q−2)(dmax⁡p−2−dmin⁡p−2)(p−2)(dmax⁡q−2−dmin⁡q−2)p−q
(2297)

特殊设置:

图 5. EQUATION_DISPLAY
d43=dmax⁡+dmin⁡2,d32=dmax⁡+dmin⁡ln⁡(dmax⁡)−ln⁡(dmin⁡)
(2298)
Rosin-Rammler 分布

Rosin-Rammler 分布,也称为威布尔分布,为:

图 6. EQUATION_DISPLAY
F ( d ) = 1 − exp ⁡ ( − [ d D ref ] k )
(2299)

其中, k 为形状参数, D ref 为尺寸参数。

此分布广泛用于粉碎过程的颗粒尺寸分析。在 k = 1 的特定情况下,它将变为指数分布。参数 D ref 具有长度维度,指定特征尺寸,而参数 k 为无量纲,控制分布的扩散(较高的 k 意味着较窄的分布)。

Rosin-Rammler 分布的平均直径为:

图 7. EQUATION_DISPLAY
d p q = D ref Γ ( p − 1 k ) Γ ⁢ ( q − 1 k ) p − q
(2300)

其中, Γ 为欧拉 Gamma 函数。可以看到,dpq 仅针对 p>1,q>1 确定。特殊情况:不会针对 Rosin-Rammler 分布确定 d10 和 d30。

对数正态分布

对数正态分布意味着直径的对数具有平均值 μ 和标准偏差 σ 的正态分布。CSD 的公式为:

图 8. EQUATION_DISPLAY
F(d)=12+12erf(ln⁡d−μ2σ)
(2301)

对数正态分布的平均直径为:

图 9. EQUATION_DISPLAY
dpq=exp⁡(μ+12(p+q−6)σ2)
(2302)

上述方程提供了一种将对数正态分布拟合到实验数据中的简单方法。已知两个不同的直径,例如 dpq 和 dst,可获得以下方程:

图 10. EQUATION_DISPLAY
dpqdst=exp⁡(12(p+q−s−t)σ2),σ2=2ln⁡(dpqdst)p+q−s−t
(2303)

将 σ2 代入先前的方程可得出(进行一些代数运算后):

图 11. EQUATION_DISPLAY
μ=6−s−tp+q−s−tln⁡(dpq)+p+q−6p+q−s−tln⁡(dst)
(2304)
用户指定的直径分布

可将累积尺寸分布 (CSD) 指定为表。表的第一列包含直径 [ d 0 ; d 1 ;…; d i ;…; d n ]。第二列包含 CSD 值 [ F 0 ; F 1 ;…; F i ;…; F n ]。这两列必须单调递增。

从累积尺寸分布的定义可以看出 F 0 = 0 且 F n = 1 。生成的 CSD 为逐段线性:

图 12. EQUATION_DISPLAY
F ( d ) = { 0 d < d 0 d − d 0 d 1 − d 0 ( F 1 − F 0 ) + F 0 d 0 ≤ d < d 1 d − d 1 d 2 − d 1 ( F 2 − F 1 ) + F 1 d 1 ≤ d < d 2 ... ... d − d i d i + 1 − d i ( F i + 1 − F i ) + F 0 d i ≤ d < d i + 1 ... ... 1 d > d n
(2305)

壁面成核速率与壁面沸腾

启用壁面沸腾相间相互作用模型时,当壁面加热到高于液体饱和温度时,气泡在壁面成核。

气泡以以下成核速率提供给 AMUSIG 模型:

图 13. EQUATION_DISPLAY
N ˙ w = ( 1.0 − K d r y ) n " ( d w d l ) 3 f A V 1 [ m 2 s ]
(2306)

其中: