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Barracuda流体颗粒系统耦合模拟软件
Barracuda和Fluent或者CFX对比有什么优点吗?
蒋学
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于 2014-7-18 13:34
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蒋学
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共 2 个关于本帖的回复 最后回复于 2015-7-10 09:29
海基王健
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沙发
海基王健
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发表于 2015-5-27 17:42:36
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主要优势在计算速度和颗粒相模型处理上。
可计算颗粒量大,并详尽考虑了颗粒尺度、组分、运动轨迹、颗粒相相互间作用等等。
一句话概括来说就是:用欧拉-拉格朗日方法实现了工业级尺度的流态化装置仿真。
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zhuzhusky
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发表于 2017-7-4 16:25
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费斌
十品草民
发表于 2015-7-10 09:29:37
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只看该作者
多相流模型:
由于模型的限制,在基于Fluent的多相流模拟中,人为地界定了密相流动和稀相流动,即:以颗粒体积分数为指标,将小于10%的定义为稀相流动,10%以上称之为密相流动。Fluent中的DPM适用于离散固体相体积分数小于10%(稀相流动)的情况,且该模型忽略颗粒间的相互作用,因此,DPM不适合模拟液-液混合、流化床及任何次级相体积分数不能忽略的问题。Mixture Model和Eulerian Model用于解决颗粒浓度较大的多相流问题。其中,Mixture Model可以认为是Eulerian Model的简化版本。
使用Fluent模拟多相流现象,需要根据颗粒浓度、尺度及密度等,选择合适的多相流模型。例如:特征尺度为1m、特征速度为10m/s的煤分级器中,颗粒尺度在30微米和300微米时,对应的St数分别是0.04和4.0,很明显,Mixture Model就不适用于后一种情况;矿料输运模拟中,如果系统的特征尺度为0.2m、特征速度为2.0m/s,这意味着对于颗粒尺度为300微米的矿料,St数约为0.005,这时,可以选用Mixture Model和Eulerian Model,由于颗粒的体积分数太大而不适合使用DPM。
可见,使用Fluent进行多相流模拟,在模型方面就受到了很大的限制。然而,真实的流化过程中,颗粒浓度通常有着很大的范围(即某些区域是密相流动,有些是稀相流动)。这使得我们仅用一种多相流模型对其进行模拟是不合适的。
Barracuda具有统一的多相流模型,并不需要界定所谓的“密相”和“稀相”问题。因此,对于真实情况中颗粒浓度跨度较大的多相流动现象,Barracuda在模型方面的优势是非常明显的。
计算效率:
Barracuda的计算速度是它的又一大优势。使用Fluent模拟多相流的用户都有过这样的经历:即使经过简化选择了合适的多相流模型,在进行瞬态模拟时,还是会遇到计算结果稳定性和收敛性等方面的问题。计算时间通常会持续数天到数周,加上调试参数,调整模型等工作,耗费的时间还要延长。
Barracuda基于CPFD技术,可以在合理的时间内获得有意义的准稳态计算结果。一般情况下,计算时间如下:
实验设备级别 ——> 若干小时
中试设备级别 ——> 一至两天
工业产品级别 ——> 一至两周
化学反应:
Fluent中的多相流模拟中,如果考虑化学反应,计算过程将更加的复杂,想在工程设计周期内获得有参考价值的计算结果几乎是不可能的。这主要是因为,Fluent中多相流模型,化学反应模型是相对独立,当用户在两者都关注时,仅是简单的将两种模型都选择上,这种方式类似于简单的叠加,而且,当选择多相流模型后,很多的化学反应模型是不可用的,这种兼容性问题严重的影响了Fluent在多相化学反应模拟领域的应用。
Barracuda在开发之初,就是以化工行业问题为研究对象,所以将化学反应动力学与流体及颗粒的动力学方程紧密耦合,因此,在求解包含了化学反应的多相流问题上也是得心应手。
Barracuda的核心原理是什么?
Barracuda是基于CPFD(Computational Particle Fluid Dynamics)数值方法开发的一款致力于工程流化问题模拟的商业软件包。该方法是由CPFD software公司的创始人之一Dale Snider博士发明,该方法在Eulerian –Lagrangian框架下,将颗粒和流体间的相互作用紧密耦合,能够更真实的模拟“颗粒 - 流体”系统。
CPFD是基于Eulerian – Lagrangian框架对颗粒体多相流进行模拟的。虽然通过颗粒体积分数的空间梯度,Eulerian – Eulerian模型可以模拟密集颗粒流附近的颗粒间应力,但若考虑到颗粒的类型和尺度分布,连续方程将异常复杂,因为需要对每一种类型和尺度的固体相求解连续方程和动量方程。Eulerian – Lagrangian模型是一种求解颗粒多相流较为经济的方法,它考虑较宽范围的颗粒类型、尺度和速度等。尽管如此,对于颗粒体积分数较高的情况,颗粒间的碰撞频率极高,采用真正意义的Lagrangian方法计算碰撞也是不现实的。
CPFD技术借鉴了MP-PIC(multiphase particle-in-cell)方法,对颗粒相进行了双重处理方法,即颗粒既被视为是连续介质,也被视为是离散体。将颗粒应力梯度(在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算)处理成流体网格上的梯度,然后插值到离散颗粒体上;而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子,这种算子计算速度高,且可以保证全局及局部的守恒。这样,CPFD方法消除了对高计算量的隐式解的依赖——网格上颗粒法相应力计算所需要的;更重要的是,颗粒相和流体相隐式的耦合起来,为设计人员提供一个鲁棒性优良的数值解。
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