混合多相流 (MMP)

混合多相流 (MMP) 模型假设相易混溶。可用于对离散多相流(如气泡和液滴流体)进行建模。典型应用包括燃料电池、锅炉和蒸汽轮机。模拟在气体中离散的液滴时,混合多相流 (MMP) 模型将考虑蒸发和冷凝。

混合多相流 (MMP) 模型通过将相混合物的质量、动量和能量的输运方程作为一个整体进行求解(而不是对每个相分别求解)来对液相建模。要计算相的分布,对每个相的体积分数传输方程求解。对于以不同的速度移动的相,可使用代数关系计算相对速度。

体积分数传输方程

体积分数根据以下守恒方程进行传输:

图 1. EQUATION_DISPLAY
∂∂t∫Vαi⁢ dV+∫Aαivm⋅da=∫V(Su,i−αiρiDρiDt) dV+∫Aμtσtρm∇αi⋅da︸Turbulent⁢  Term−∫V1ρi∇⋅(αiρivd,i)︸Slip⁢  Velocity⁢  TermdV
(2875)

其中:

  • t 为时间
  • V 为体积
  • αi 为以下相的体积分数: i
  • vm 为质量平均速度
  • a 为表面积矢量
  • Su,i 为以下相的用户自定义源项: i
  • ρi 为以下相的密度: i
  • μt 为湍流动力粘度
  • σt 为湍流施密特数
  • vd,i 为扩散速度

对于层流,湍流项设为零。

要阐明湍流扩散项,确切的项为:

μtρiσt∇Yi=μtρiσt∇(ρiρmαi)=μtρiσt(ρiρm∇αi+αi∇(ρiρm))

其中,Yi=αiρi/ρm 为相 i 的质量分数。

但是,第二个组分可以忽略,因为通常:

|ρiρm∇αi|≫|αi∇(ρiρm)|

忽略第二个组分会得出 Eqn. (2875) 中给定的湍流扩散项。

连续性方程

相混合物的质量守恒由以下公式给出:

图 2. EQUATION_DISPLAY
∂∂t∫V ρm⁢dV+∫A ρmvm⋅d⁢a=∫V Su⁢ dV
(2876)
其中:
  • ρm 为混合物的密度
  • Su 为用户自定义质量源项
动量方程

相混合物的动量平衡由以下公式给出:

图 3. EQUATION_DISPLAY
∂∂t∫V ρmvm⁢ dV+∫A ρmvm⊗vm⋅d⁢a=-∫A pI⋅d⁢a+∫A Tm⋅d⁢a+∫V fb⁢ dV+∫V su⁢ dV-∑i∫Aαiρivd,i⊗vd,i⋅da︸Slip⁢  ⁢Velocity⁢  Term
(2877)
其中:
  • I 为单位张量
  • p 为压力
  • Tm 为粘性应力张量
  • fb 为体积力矢量
  • su 为用户自定义动量源项

应力张量 Tm 估算如下:

图 4. EQUATION_DISPLAY
Tm=μeff[(∇vm+(∇vm)T)-23(∇⋅vm)I]
(2878)

其中, μeff 为有效粘度。

能量方程

相混合物模型的能量方程为:

图 5. EQUATION_DISPLAY
∂ ∂ t ∫ V ρ m E m ⁢   dV + ∫ A ( ρ m H m v m + ∑ i α i ρ i H i v d , i ︸ Slip ⁢     Velocity ⁢     Term ) ⋅ d ⁢ a = - ∫ A q ˙ ⋅ d ⁢ a + ∫ A T m ⋅ v m ⋅ d ⁢ a + ∫ V ( f b ⋅ v m + S u ) ⁢   dV
(2879)

其中:

  • Em 为混合物的总能量
  • Hm 为混合物的总焓
  • q˙ 为热通量矢量
  • Su 为用户自定义能量源项

混合物的总能量 E m 和总焓 Hm 定义为:

图 6. EQUATION_DISPLAY
E m = H m - p ρ m
(2880)
图 7. EQUATION_DISPLAY
H m = h m + | v m | 2 2
(2881)

其中, h m 为特定于混合物的静焓。

Eqn. (2875) 到 Eqn. (2881) 中的混合物物理量定义如下:
密度 ρm=∑i=1nρiαi
粘度 μm=∑i=1nμiαi
速度 vm=1ρm∑i=1nviαiρi
导热率 km=∑i=1nkiαi
焓 Hm=1ρm∑i=1nhiαiρi+|vm|22

Eqn. (2875)、Eqn. (2877) 和 Eqn. (2879) 中包含扩散速度 vd,i 的项源于相间滑移。请参见相滑移。