Процесс распыления жидкости очень часто встречается в различной технике и технологических процессах. В качестве примера можно привести впрыск топлива в двигателях внутреннего сгорания, пульверизаторную покраску, разбрызгивание продуктов в пищевой индустрии. Ещё мы используем опрыскиватели для полива газонов и полей, распределения пестицидов, очистки лобового стекла автомобиля и так далее. При таком широком спектре применения инженерам очень необходимы надёжные методы проектирования распылительных форсунок под заданные характеристики распыления. В последнее время такие задачи можно эффективно решать с помощью вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics).
Довольно долгое время единственным способом оценки соответствия распылительных форсунок заданным параметрам по потоку жидкости и размере капель было проведение физических испытаний. Сегодня научные достижения в вычислительной гидрогазодинамике и рост доступной счётной мощности позволили создать новые высокоточные модели распылённых течений. Применение этих инструментов существенно расширяет возможности экспериментального метода, а иногда и полностью устраняет необходимость в лабораторных испытаниях.
Пользователям ANSYS Fluent уже на протяжении долгого времени были доступны точные и валидированные модели распылённых течений, но они требовали задействования очень больших счётных ресурсов, особенно для мелкодисперсных течений. В 19-й версии программного продукта ANSYS Fluent мы представили новую гибридную модель многофазного течения «VOF to DPM», которая существенно снижает вычислительную сложность расчётов распылённых течений. Как можно догадаться из названия, эта модель комбинирует две хорошо известных и проверенных модели течения: в рамках модели VOF (Volume of Fluid) рассчитывается течение со свободной границей, а модель DPM (Discrete Phase Model) подключается на втором этапе для расчёта, добавляя дискретные частицы в первоначальную постановку Эйлера. Схематически этот процесс изображён на рисунке ниже:
Переход между двумя моделями течения осуществляется путём передачи информации об очень маленьких объёмах жидкости, окруженных границей раздела в модели VOF, в виде дискретных капель в модель DPM. За счёт этого снижаются затраты на точный расчёт формы капель, который производится в рамках VOF-модели. Таким образом, в рамках единого расчёта можно моделировать как первоначальное разделение потока, так и последующее дробление капель, процессы испарения, физических и химических реакций. Ниже приведено несколько скриншотов интерфейса Fluent, на которых показано применение описанного подхода.
Ключевым звеном новой гибридной модели является алгоритм перехода из модели VOF в модель DPM. Этот алгоритм следит за образованием небольших изолированных объёмов жидкости и преобразует их в дискретные капли. Так как после перехода форма поверхности таких капель не рассчитывается, для расчёта такой задачи уже не требуется настолько мелкая сетка, как для расчёта потока только с помощью VOF модели. Вторым важным аспектом новой гибридной модели является алгоритм автоматического сгущения и разуплотнения сетки. Для адаптивного изменения размера полиэдрической сетки можно задействовать новый алгоритм PUMA (polyhedral unstructured mesh adaptation). При этом исходный поток со сложной границей раздела рассчитывается на мелкой сетке, а при переходе в дискретную каплю для расчёта по DPM-модели сетка разуплотняется. Это позволяет удерживать общее количество ячеек в приемлемом диапазоне и существенно сократить требования к задействованным вычислительным ресурсам. На рисунке ниже представлен пример работы алгоритма автоматического изменения размера ячеек:
Примеры применения гибридной модели «VOF to DPM»
Новая модель прошла всестороннее тестирование. Документация по рекомендуемым методикам применения модели доступна по запросу в техническую поддержку через портал пользователей ANSYS Customer Portal. Ниже представлены несколько примеров для демонстрации возможностей модели.
На рисунке ниже показан турбулентный поток жидкости, распыляемый поперечным потоком воздуха. Каплеобразование происходит как за счёт турбулентности потока после прохода сопла, так и благодаря поперечному потоку воздуха. Сопоставление с экспериментальными данными показывает, что траектория потока и характер распыления рассчитаны верно. В результатах расчёта, кроме стандартных выходных параметров для моделей VOF и DPM, пользователю также доступен ряд статистических параметров, характеризующих переход между моделями.
Ниже показана анимация процесса распыления потока.
На рисунке ниже представлен процесс впрыска углеводородного топлива под высоким давлением в камеру сгорания. Опять же, в потоке явно видны две характерные зоны: первоначальный неразделённый поток и зона образования капель.
На следующем рисунке показаны два пересекающихся потока, при этом тёмным цветом показана расчётная область, в которой используется модель VOF, а светлая зона соответствует расчёту дискретных капель. Стоит отметить, что для облегчения восприятия размер капель показан в увеличенном масштабе.
В задаче с поперечным потоком воздуха найденный в расчёте средний диаметр по Соутеру (Sauter Mean Diameter) отличается от значения, полученного экспериментально, на 10%. Такое различие находится в допустимом диапазоне. Особенно примечателен этот результат тем, что кроме данных, которые можно получить экспериментально, с помощью расчёта мы получаем полную картину изменения поверхности раздела фаз, а значит, возможность всестороннего анализа поведения потока.
Мы очень рады, что можем предложить нашим клиентам такой мощный инструмент для расчёта распылённых потоков. Надеемся, что вы найдёте новую гибридную модель полезной.
Хотите узнать больше?
P.S. Хочу поблагодарить моих коллег из отдела ANSYS Application Field Testing, которые помогли мне с подготовкой материала для статьи. Отдельную благодарность хочу выразить Jochen Schuetze.
Источник: ansys-blog.com
Автор: Muhammad Sami