如果用DPMFoam求解稀相流会怎么样?误差大么



  • 有没有人之前尝试过。



  • @chpjz0391
    目前我用该求解器求解稀相流得到的结果不是很理想,颗粒速度偏差太大



  • @Alvin 你是跟什么结果对比的得出的颗粒速度偏差大?碰撞考虑了么? 能不能详细点说一下你的模型。我用这个模拟稀相 结果还好。



  • 我做的是建筑群周围污染物颗粒扩散的研究,网格大小最大为10m 10m 10m,最小0.5m 0.5m 0.5m,颗粒均匀粒径2e-4m,连续相入口速度2.5m/s,颗粒密度设置为1.2kg/m3,颗粒初始速度2m/s,不考虑碰撞。选用Ergunwenyu曳力模型,不考虑颗粒所受重力,即颗粒只受曳力,时间步长4e-3s,计算结果颗粒速度甚至能接近上60米每秒。
    简单来说,就是目前计算出颗粒的速度没法保证在一个合理的数量级范围,你是如何考虑的?颗粒速度与连续相速度偏差会那么大吗?考虑到St数(颗粒弛豫时间与流动特征时间的比值)定义,可以判断颗粒和流体间的"跟随程度",St越小,颗粒速度应该与流体速度越接近,颗粒对流场变化响应越迅速,基于此(我的st数小于1),我得到的结果似乎是不合理的!



  • @Alvin 我的颗粒粒径很小的,80 nm的粒径,考虑了重力和曳力,也没考虑碰撞,由于颗粒相本身过小,颗粒速度随流体速度的,分布也跟流体的分布特征相符合,颗粒速度和流体速度相同。你的颗粒速度60m/s确实有点夸张了。你把重力加上试试。重力对拉格朗日影响很大的。你不考虑的话 感觉误差确实会很大。并且你的粒径也不算很小,重力影响挺大的。



  • 考虑了重力和曳力,也没考虑碰撞,由于颗粒相本身过小,颗粒速度随流体速度的,

    看起来是一种单向耦合。 为什么不使用欧拉方法下标量传输来求?



  • 之前用过欧拉方法下标量传输来求,由于种种原因确定还是用DPMFoam求解器,话说这个求解器对于稀相流的预测误差会很大吗?



  • @Alvin 你也可以考虑,reactingparcelFoam 这个是求解稀相流的。我之前用过这个,效果也可以。



  • @chpjz0391 谢谢你,我会考虑的



  • 之前用过欧拉方法下标量传输来求,由于种种原因确定还是用DPMFoam求解器,

    这个也是目前我要对比的。我的方法介于欧拉-欧拉和欧拉-拉格朗日之间。
    你的工况是参考的哪个实验文献?



  • 基于此(我的st数小于1),

    你的St有多小?



  • @李东岳 我的模拟工况目前并没有试验支持,只作为研究用。采用DPMFoam求解器是因为个人原因,稀相到密相流均能采用。不过对于稀相流在多大范围内具有适用性(误差)仍需要调查。您对比“欧拉方法下标量传输,Or DPMFoam求解器”的结果怎么样?



  • @李东岳 0.01级别



  • 欧拉方法下标量传输,Or DPMFoam求解器”的结果怎么样?

    这是目前我打算做的,但是目前还没做。所以问问你有没有实验数据支撑。
    如果St 0.01,粒子速度不应该和连续相有很大差别,至少书中是这样提及的。并且你的相分数远小于1. 应该可以当做是dusty gas,中文暂时不知道是什么称呼。:



  • @李东岳 好的,我再调查一下



  • @Alvin 你好,请问一下你之前用欧拉方法用的是哪个求解器可以说一下么?就是把稀相流当做是气体考虑的。你用的是twophaseeulerfoam?


  • 离散相副教授

    稀相可以不考虑固相体积分数,如果考虑颗粒碰撞的话,仍然可以使用CollidingCloud,但是把主程序中的控制方程消去alphac(不能不要,计算曳力有用)



  • @chpjz0391 最近利用DPMFoam基于of30 自带算例windaroundbuildings,加了两个烟囱(建筑附近一大一小),单纯计算流场。右侧入口面速度2m/s,大烟囱3m/s,小烟囱2m/s。计算的流场结果和simpleFoam(simpleFoam结果从流场数值上看结果合理)做对比:
    0_1522813630163_捕获.PNG

    计算了15.3s后整体流场结果(最大超过百米):
    0_1522814045236_捕获.PNG

    下面是我的计算文件以及部分log文件(为上传方便,未加建筑):
    0_1522814173864_DPMFoam.zip
    0_1522814350821_log.zip

    什么原因呢?DPMFoam求解流场有什么限制吗?





  • @东岳 谢谢老师,下载了修改后的算例,我再测试一下,稍后给您回复



  • @东岳 您给的速度noslip边界条件of3.0版本用不了



  • 将noSlip改为

    type  fixedValue;
    value uniform (0 0 0);
    


  • @东岳 谢谢老师,流场确实收敛了。我注意到您做的更改中关掉了重力g(设为(0 0 0)),出于什么考虑呢?测试的考虑重力后就不合理了.



  • @alvin如果用DPMFoam求解稀相流会怎么样?误差大么 中说:

    出于什么考虑呢?测试的考虑重力后就不合理了.

    我需要深入研究一下。主要起源于体积力重力的处理,从期刊看到的公式来看,重力项的处理不太一样,比如下面这俩个:

    0_1523417739053_捕获.PNG

    0_1523417745705_捕获2.PNG

    我怀疑还是粒子压力梯度的处理问题,http://www.cfd-china.com/topic/1488 在弄清楚之后,可以从代码上进而在结果上解释原因。

    目前的猜测,DPMFoam连续性方程里面的phiForces引起的重力驱动流动。后续我会更新。



  • 谢谢您耐心的讲解,受教了,可是如果关掉重力,DPmFoam求解器是不是就不能考虑颗粒受重力的情况了,感觉这个求解器的处理不是很理解



  • 问题是phiForces导致,比如重力向下,那么phiForces将为负值,其产生一个向下的速度。目前我自己的求解器也遇到了这个问题。还需要进一步研究。还不能说是DPMFoam的bug,因为我用这个模拟过气泡流,结果不错。

    我要看一下密度为常数的情况下,速度和压力的平衡处理。



  • 一个解决办法是将浮力项和重力项进行下面的转换(参考其他求解器):$\nabla p - \rho \mathbf{g}=\nabla p_{\mathrm{rgh}}+\mathbf{g} \mathbf{h} \nabla \rho$,我植入看看。



  • 真是太谢谢您了,不过排除了案例本身设置的问题外,从物理直观上不好理解同样求解不可压缩流场,simpleFoam不考虑重力,DPMFoam流体动量方程考虑重力就不合理。



  • 0_1523837840346_2018-04-16 08-15-57屏幕截图.png

    pEqn.H改为p_rghEq.H之后,初步看起来是合理的,上图左侧为一个渐进的,下面越来越大的水压,右侧速度为0(1e-10)。这只一种单相附加重力的静态模拟。不过还需要进一步测试。

    http://dyfluid.com/buoyantPimpleFoam.html 我在这里添加了点内容,跟这个有关



  • @东岳 参考您提供的网址 http://dyfluid.com/buoyantPimpleFoam.html 中的部分解析,下面这个方程替换若应用于DPMFoam求解器中不可压缩流场的求解,动量方程中等效于不考虑重力

    0_1523842729945_捕获.PNG

    您提到“OpenFOAM中并没有附加重力的单相流求解器”,显然“buoyantPimpleFoam是OpenFOAM的传热求解器之一,其用于求解瞬态的、由于温度变化导致的密度变化、浮力驱动流动。”,受重力(浮力)驱动。
    物理上讲,不管流体可压与否,重力做功会对竖直方向上的流动产生影响。最好还是能够了解到DPMFoam求解器中流场代码植入之所以是现在这个样子,它的设计思想及应用范围,目前测试来看,在求解不可压缩单相流场时,至少它不是通用的。



  • 谢谢。

    OpenFOAM中并没有附加重力的单相流求解器

    已更改为

    OpenFOAM中并没有附加重力的恒密度单相流求解器。例如在恒密度的icoFoam和simpleFoam中,是压力差引起的流体流动。

    最好还是能够了解到DPMFoam求解器中流场代码植入之所以是现在这个样子,它的设计思想及应用范围,目前测试来看,在求解不可压缩单相流场时,至少它不是通用的。

    DPMFoam主要用于气固流动,连续相密度远小于固相,空气的密度无法引致这么大的压力差。这不同于气液(连续相密度大于离散相)。



  • DPMFoam主要用于气固流动,连续相密度远小于固相,空气的密度无法引致这么大的压力差。这不同于气液(连续相密度大于离散相)。

    一个解决办法是将浮力项和重力项进行下面的转换(参考其他求解器):$\nabla p - \rho \mathbf{g}=\nabla p_{\mathrm{rgh}}+\mathbf{g} \mathbf{h} \nabla \rho$,我植入看看。

    更简单的方法是,将DPMFoam代码中进行下面的改动:

    surfaceScalarField phicForces
    (
       fvc::flux(rAUc*cloudVolSUSu/rhoc) + rAUcf*(g & mesh.Sf())*1000
    );
    

    后面的1000是连续相的密度,因为DPMFoam默认求解气固,气体的密度为1. 如果用DPMFoam求解气液,液体的密度假定为1000,乘上去即可。

    主要体现在压力求解的正确性,不乘以1000,导致静水压压力大小分布不正确。要进行测试:随便模拟一个1米高的容器,充满水,看内部的压力分布。这种情况压力底部的精确解为101325+9.81*1000*1=111325. 如果不进行代码更正,求解后底部的压力为101325+9.81*1*1=101334.



  • @东岳 谢谢您的耐心回复!

    您回复中

    提到"......后面的1000是连续相的密度,因为DPMFoam默认求解气固,气体的密度为1. 如果用DPMFoam求解气液,液体的密度假定为1000,乘上去即可。"
    既然DPMFoam默认求解气固,气相密度默认为1(适用于我目前求解的算例,就是单纯的空气流场,但结果明显不好),右端重力项乘以1000中的1000替换为rhoc是否可以?

    参照 多相流数学模型 http://dyfluid.com/docs/multiphase.html 3.3 连续相模型之欧拉模型(宏观模型):
    0_1524557588878_连续相方程.PNG
    对DPMFoam求解器中UcEqn.H进行修正的话,是否方程中各项均应乘或者除以一个rhoc,对连续相的动量方程两端作统一的密度处理,而不仅仅是目前采用的在 (1.0/rhoc)*cloudSU 这一项中由于相间动量耦合而考虑rhoc的影响,(UcEqn.H原代码如下:)

    //
     fvVectorMatrix UcEqn
    (
        fvm::ddt(alphac, Uc) + fvm::div(alphaPhic, Uc)
      - fvm::Sp(fvc::ddt(alphac) + fvc::div(alphaPhic), Uc)
      + continuousPhaseTurbulence->divDevRhoReff(Uc)
     ==
        (1.0/rhoc)*cloudSU
    );
    
    UcEqn.relax();
    
    volScalarField rAUc(1.0/UcEqn.A());
    surfaceScalarField rAUcf("Dp", fvc::interpolate(rAUc));
    
    surfaceScalarField phicForces
    (
       (fvc::interpolate(rAUc*cloudVolSUSu/rhoc) & mesh.Sf())
     + rAUcf*(g & mesh.Sf())
    );
    
    if (pimple.momentumPredictor())
    {
        solve
        (
            UcEqn
         ==
            fvc::reconstruct
            (
                phicForces/rAUcf - fvc::snGrad(p)*mesh.magSf()
            )
        );
    }
    //
    


  • @alvin
    非常感谢,确实如此,我再重新植入一下。

    最近在植入自己的算法,算气固非常完美(连续相密度为1),算气液就是耦合作用太小(连续相密度为1000),差点劲,感觉是密度方面的原因导致耦合部分的效果太小了。需要重新研究一下。



  • @东岳 再次感谢老师的回复。诚如您所说的那样,连续相动量方程中不考虑耦合的颗粒动量传递外,其它各项确实没有考虑连续相密度,默认为1?那么动量耦合项中的密度在数值上也就不起作用了。

    您提到"......最近在植入自己的算法,算气固非常完美(连续相密度为1)......"是指“...一个解决办法是将浮力项和重力项进行下面的转换(参考其他求解器):∇p−ρg=∇prgh+gh∇ρ,我植入看看...”这个解决办法吗?如果是的话,需要了解一下这样转换的逻辑基础,正如interFoam求解器中动量方程右端也是这样的转换,但显然interFoam求解器基于VOF模型,求解两相流采用同一套动量方程(方程中不显示相分数,单独求解相分数方程区分相态)描述两相的状态,两相作为混合物(密度采用均相密度)其在相界面是存在不为0的密度梯度的,∇p−ρg=∇prgh+gh∇ρ 这样的转换有其逻辑基础;DPMFoam求解器的连续相动量方程中左端有相分数(考虑稠密颗粒流,体积分数较大的情况),右端的重力项、压力梯度项中(根据颗粒受不受压力梯度力可考虑在该项中加不加相分数)却没有,和以下公式是否矛盾?(参照 多相流数学模型 http://dyfluid.com/docs/multiphase.html 3.3 连续相模型之欧拉模型(宏观模型):)0_1524709050832_1524557589373-连续相方程.png

    上述方程同除以密度rhoc的话(连续相为不可压缩单相流体,这样处理是可以的),方程右端压力项也要除以rhoc,对比原始DPMFoam动量方程:

    //......
    surfaceScalarField phicForces
    (
       (fvc::interpolate(rAUc*cloudVolSUSu/rhoc) & mesh.Sf())
     + rAUcf*(g & mesh.Sf())
    );
    
    if (pimple.momentumPredictor())
    {
        solve
        (
            UcEqn
         ==
            fvc::reconstruct
            (
                phicForces/rAUcf - fvc::snGrad(p)*mesh.magSf()
            )
        );
    }
    

    只要让压力项除以rhoc,那么您提到的“最近在植入自己的算法,算气固非常完美(连续相密度为1),算气液就是耦合作用太小(连续相密度为1000),差点劲,感觉是密度方面的原因导致耦合部分的效果太小了。需要重新研究一下。”算气液的话,耦合部分相对于右端的其它项不就提高了吗?我需要测试一下。希望和您保持联系。



  • 回帖很复杂。。。

    我这几天做一个带密度的可压缩的DPMFoam试试。



  • 将pEqn.H改为p_rghEq.H之后,初步看起来是合理的,上图左侧为一个渐进的,下面越来越大的水压,右侧速度为0(1e-10)。这只一种单相附加重力的静态模拟。不过还需要进一步测试。

    1. 之前的植入,直接将将pEqn.H改为p_rghEq.H,是密度速度方程+prgh方程。虽然流场预测正确,但这种植入在密度不为1的时候耦合项不正确导致速度过低。

    2. 下午植入了密度的速度方程+p方程,在模拟静止的流体的时候压力正确,但有spurious velocity :zoule:

    我测试下带密度的方程+prhg方程。这个应该没问题了吧。目前openfoam这种可压缩动量方程+prgh方程是主流。

    模拟静止液体由于数值原因(静水压力和重力平衡)带来的spurious velocity:

    0_1525232363579_pic.png



  • “1.之前的植入,直接将将pEqn.H改为p_rghEq.H,是无密度速度方程+prgh方程。虽然流场预测正确,但这种植入在密度不为1的时候耦合项不正确导致速度过低。”
    在求解不可压缩流体时,动量方程等效于不考虑重力(其他单相不可压缩流体求解器如simpleFoam动量方程不考虑重力),无密度的速度方(密度为1)程中的耦合项在颗粒动量传递到连续相中时考虑了密度(密度为连续相的实际密度),这种处理对连续相的种类做了限定,比如说只能是空气。
    “下午植入了有密度的速度方程+p方程,在模拟静止的流体的时候压力正确,但有spurious velocity”
    您提到在模拟静止的流体的时候压力正确,言外之意,非静止流体还会出现之前速度发散的现象(流速预测过高)?



  • @东岳如果用DPMFoam求解稀相流会怎么样?误差大么 中说:
    单相可压DPMFoam求解器,应用领域比较局限了。。。



  • “...我测试下带密度的方程+prhg方程。这个应该没问题了吧。目前openfoam这种可压缩动量方程+prgh方程是主流”
    可压缩动量方程植入,至少还要添加能量方程,这样处理的话更加复杂了......是否单纯将重力项在有密度的连续性方程中去掉就好



  • @alvin
    DPMfoam的压力场给定的时候不是已经除过密度了吗?从0文件夹中p文件的量纲可以看出来。
    压力相的相分数是由颗粒相传递过来的压力力梯度导致的。



  • @linhan-ge 谢谢您的解答。从量纲上压力确实除以了密度,但是压力的数值处理上,动量方程中除以的密度默认为1(适用于空气),这是最重要的。“压力相的相分数是由颗粒相传递过来的压力力梯度导致的”,若是稀相流,压力梯度力不考虑,压力项中也就不存在相分数了。回归正题,DPMFoam求解的稀相流,误差有多大(我自己用DPMFoam单纯计算流场的算例考虑重力后是发散的)?DPMFoam动量方程中的重力项该如何处理才好(舍掉可好)?



  • DPMFoam动量方程中的重力项该如何处理才好(舍掉可好)?

    如果连续相给离散相的浮力很重要(比如气液),不可以舍去。如果连续相给离散相的浮力不重要(比如气固),可以舍去。



  • @东岳 “如果连续相给离散相的浮力很重要(比如气液),不可以舍去。如果连续相给离散相的浮力不重要(比如气固),可以舍去。”这里不太理解, 连续相对离散相的力的作用(如浮力)不都是通过颗粒拉格朗日方程体现的么?DPMFoam动量方程中的重力项单纯是流体的重力?


  • OpenFOAM教授

    @alvin 没有太理解,“但是压力的数值处理上,动量方程中除以的密度默认为1(适用于空气),这是最重要的”这句话。
    从可压缩动量方程出发,假设密度是常数,那可以将密度提出来,就是现在采用的不可压缩动量方程形式啊,为什么会默认密度为1呢?


  • OpenFOAM教授

    @东岳 目前的DPM求解器中,浮力项并不单纯由连续相的重力表示的,还包括连续相的加速度项,可以参考“INFLUENCE OF DRAG LAWS ON SEGREGATION AND BUBBLING BEHAVIOR IN GAS–FLUIDIZED BEDS”这篇博士论文的2.5.1节的内容。
    具体来说在Openfoam中,particleForces中的pressureGradient这项才是浮力项。


  • OpenFOAM教授

    @alvin DPMFoam动量方程中的重力项有一部分是流体的重力,另一部分和pressureGradient这一项组合起来作为浮力。具体请参考“INFLUENCE OF DRAG LAWS ON SEGREGATION AND BUBBLING BEHAVIOR IN GAS–FLUIDIZED BEDS”这篇博士论文的2.5.1节。



  • particleForces中的pressureGradient这项才是浮力项。

    gravity中植入了浮力项。pressureGradient不是浮力项。pressureGradient是粒子上下表面引致的压力差项,粒子若非常小,则可忽略。但若重力gravity若被忽略,则完全没有浮力影响。

    可进行类似浮力测试:

    particleForces
    {
        //constantDrag
        //{
        //	constantValue	0.1;
        //}
    
        gravity; //浮力On or Off
    
         	//pressureGradient
         	//{
         	//    U	U.water;
         	//}
    
        }
    

    DPMFoam动量方程中的重力项单纯是流体的重力?

    考虑连续相的密度大于离散相的密度(气液)。重力的作用:连续相植入重力项,导致静水压力的产生。离散相植入重力,同样导致离散相的下降。重力的作用对连续相和离散相都是一个方向的。但重力的植入同时会导致浮力的产生,浮力方向和重力相反,且浮力远大于重力,因此离散相向上移动。

    如果连续相给离散相的浮力很重要(比如气液),不可以舍去。如果连续相给离散相的浮力不重要(比如气固),可以舍去

    因为浮力和重力相关联。因此如果浮力很重要(气液中的气泡要上浮),连续相的重力的植入必须。如果浮力不重要(气固中的颗粒不会上浮),连续相的重力植入则无关紧要。


  • OpenFOAM教授

    @东岳 没错,在离散相的gravity中,表达式是massg_(1.0 - p.rhoc()/p.rho()),即考虑了连续相和离散相的密度比,这个是浮力的主要来源。
    目前dpmFoam中,如果将重力的值设为0,那么就没有考虑浮力影响;如果单纯的将连续相动量方程中的重力g删除,而不是设为0,那么其实并没有影响粒子浮力的计算,因为粒子运动方程中根本没有出现连续相的压力。



  • @dzw05如果用DPMFoam求解稀相流会怎么样?误差大么 中说:

    粒子运动方程中根本没有出现连续相的压力

    这个是问题的根源。因为存在俩套方程:

    1. 第一种是你说的,不存在连续相的压力,DEM可以这样模化:

      \begin{equation}
      m_\mathrm{dpm}\frac{\partial \mathbf{U} _ \mathrm{dpm}}{\partial t}=\mathbf{F}_ \mathrm{drag}+\frac{\mathbf{g}(\rho_\mathrm{dpm}-\rho_\mathrm{c})}{\rho_\mathrm{c}}+\mathrm{Others}
      \label{gra}
      \end{equation}

      在这个方程中,如果不考虑F,那么就可以模化重力和浮力的效果。这就是DPMFoam中采用的方法。

    2. 另一套方程是

      \begin{equation}
      m_\mathrm{dpm}\frac{\partial \mathbf{U}_ \mathrm{dpm}}{\partial t}=\mathbf{F}_ \mathrm{drag}+m_\mathrm{dpm}\mathbf{g}+\frac{m_\mathrm{dpm}}{\rho_\mathrm{dpm}}\nabla p_\mathrm{c}+\mathrm{Others}
      \end{equation}

      如果采用这一套方程,其中的压力需要为静水压力。

    目前我在研究第二种方法。Fluent以及OpenFOAM中选用的第一种方法。参考Fluent理论指南。


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