今宏电子期刊 - 第三十四期—04 Simcenter STAR-CCM Satoh 壁面碰撞模型

编者荐语:

Simcenter STAR-CCM+ 软件是一种计算机辅助工程 (CAE) 解决方案,适合处理流体和固体连续体力学中的多学科问题,其所有操作均在单一的集成用户界面中完成。

刘向东老师在公众号STAR CCM Online中推送一篇很实用的文章《油气分离器分离效率分析》,问题很简单就是分离气相和液相颗粒,其本身是一个经典的算例。有一位细心的朋友发现随着时间的推移分离器内部积累的水颗粒应该越来越多,那么问题来了:采用稳态计算,质量、能量以及动量守恒如何保证的呢?

今天我们来共同探讨一个关键模型:Satoh 壁面碰撞模型。

 

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Satoh 壁面碰撞模型
 
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Satoh 模型用于预测冲击固体边界的油滴的结果,尤其是在油雾隔离膜中。在 Satoh 模型中,假设碰撞边界的液滴会发生回弹或扩散,具体取决于其直径D以及垂直于壁面的速度Vp。同时发生反弹和扩散的中间区域定义在两条线之间,即初始扩散线 (ISL) 和充分扩散线 (FSL)。这两条线均遵循幂次定律曲线。

 

 

初始扩散线

充分扩散线

其中, Dref为参考直径, a为指前乘数, n为指数值。

根据 Satoh 和其他作者的文章,颗粒直径及其边界法向速度可确定颗粒与边界之间的碰撞结果。假设两者之间的关系符合以下描绘的两条幂次定律曲线。在称为初始扩展线的下部曲线下方,所有颗粒均反弹。在称为充分扩展线的上部曲线上方,颗粒在边界上扩散。在两条曲线之间的区域中,一些颗粒反弹,而其余的颗粒扩散。

液滴直径在 0 m 到 8E-6 m 的范围内。液滴的壁面法向碰撞速度在 0.01 m/s 到 13 m/s 的范围内。在此范围内,具有较慢法向速度的小液滴从壁面反弹,而具有较快法向速度的大液滴趋向于在表面上扩散,以形成液膜。

在 Simcenter STAR-CCM+ 中,液膜的形成取决于模型选择和边界类型。将使用优先顺序对扩散行为建模:如果液膜模型不可用,则使用粘附模式。如果两种模式都不适用于入射边界,则颗粒可以退出。

 

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液膜、黏附以及退出
 
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  • 液膜:在此模式下,碰撞液膜交界面的液滴将转化为液膜:它们的质量、动量和能量将添加到液膜模型维持的守恒方程中,从而确保全局守恒。

  • 粘附:粘附模式仅可用于非稳态流。粘附的颗粒将一直粘附在同一边界面上,具有相同坐标,直到它们蒸发或者面不再是壁面。在后一种情况下,它们将再次变成活动(自由)颗粒。粘附的颗粒将获得它们所附着的边界面的速度,但注意,出于追踪目的将忽略此速度:如果壁面具有相对于网格的净速度,则不会沿壁面追踪粒子束。不允许对颗粒施加净力,也没有动量传递。自由颗粒将继续进行热传递和质量传输。在当前版本的 Simcenter STAR-CCM+ 中,使用此模式时不向壁面直接传热。当双向耦合颗粒粘附到液膜上时,颗粒的动能将传递到液膜中。

  • 退出:退出模式意味着从模拟中移除颗粒,有效地退出求解域。粒子束的质量、动量和能量(如果适用)也将一并移除。

 

上文提到的算例并没有添加液膜模型,本身采用的稳态运算,不存在粘附模型的运用,所以对于水体颗粒来说只存在反弹和退出。来看段动画,注意观察底部颗粒的消失。

最后需要提醒各位用户:仅当将 Satoh 壁面碰撞模型用于壁面、挡板、液膜、相不渗透和接触交界面时,Satoh 模式才可用。遇到边界的一部分颗粒将反弹,其余颗粒将退出、粘附或形成液膜。具体响应取决于颗粒法向速度、直径和边界属性。Satoh 模式可用于对油雾隔离膜中的油滴碰撞进行建模。

 
Simcenter™ 软件的独特之处在于它将系统仿真、3D CAE 和测试集于一身,可帮助您在早期和整个产品生命周期内预测所有关键属性的性能。

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2021年11月11日 17:32
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