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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。

今天我们来共同探讨一个关键模型:Satoh 壁面碰撞模型。
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: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。
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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。
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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。

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