过滤过程的Fluent模拟
指导教师：谭蔚 报 告 人：冯国红 时 间：2011.03.30
内容
1. 二维模型100×100 mm及模拟结果 2.二维模型100×500 mm及模拟结果 3.多孔区模型及模拟结果 4.结果讨论 5.存在的问题 6.工作方向


过滤是指液（或气）两相体系中的液体（气 体）以渗流的方式穿过多孔介质的孔隙，而固体 颗粒被截留在过滤介质的一侧或被阻留在过滤介 质的空隙内，从而达到固液（气）分离的目的。 本文只对固液分离进行研究，采用计算流体力学 商用软件fluent模拟过滤过程，过滤介质采用多孔 介质模型表示，这里只是宏观的研究过滤介质内 及其表面的固相颗粒沉积现象，对过滤介质内的 流场未作研究。
图2 模型图
2.2 模拟结果

进料速率为10m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
出口流量监测图

进料速率为3m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
出口流量监测图

进料速率为2m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
100 mm
5.存在问题（二）
11. 设置outflow出口边界时，如果采用对称模型，只计算半个模型，模型下部进口，上部 左右两侧分别有一个出口，那么flow rate weighting 应设置0.5还是1？1 12. 从各种模拟中发现，液相进出口不满足连续性方程，不符合实际物理现象，增大粘性 阻力和惯性阻力是否可以满足连续性方程？ 13. 改变出口监测曲线的物理参数，看看是否收敛？ 14. 能否检测到多孔介质表面的剪应力？ 15. 固相设置中所选参数对模拟结果的影响？ 16. 通过反复模拟试算固相摩擦粘度不能设为0，应该由fluent提供的计算式schaffer进行计 算，在低剪切密集流体中，固相体积分数接近于压缩极限时，应力的产生主要是由于 颗粒之间的摩擦，所以固相摩擦粘度不能设为0。 17. 固液之间的曳力函数的选择？选择syamlal-obrien还是wen-yu还是Gidaspow模型？曳 力函数对模拟影响较大？能否在同一模型中不同位置选用不同的曳力函数？如何设定？ 用户自定义吗？ 18. 模拟未考虑过程中流体粘度的变化，且忽略了能量方程。 19. 对于100x500模型，在其他设置条件不变的情况下，把稳态改为非稳态进行计算，模拟 结果与闻太师完全相反，残差曲线波动，但残差值均较小10-5左右，连续性曲线10-3 左右，固相全部流出，滤室内压力0~0.25大气压左右，为什么会出现这种现象？ 20. 三维模型 ，在三维模型中设置与二维模型相同的阻力系数时，固相全部通过，甚至 当固相的粘性阻力系数设为10-20时，仍能全部通过。Fluent中数值上限为10-20，建议 固相在多孔介质表面的速度设为0，重新计算。 21. 采用多孔区模型存在的问题是网格划分很多，计算量相当大，当二维模型大小设为 时网格数量达57万个，对于三维模型网格数量很大，现有计算机能否达到计算要求。 把压力出口改为自由出口，模拟结果残差曲线，出口流量曲线如图所示 22.
压力出口自由出口残差曲线和出口流量曲线波动大，自 由出口的出口流量曲线很光滑稳定。 本模拟固相残留在模型中，满足连续性方程


100 mm
5.存在问题（一）
1. 怎样才能使滤饼充满滤室？ 2. 滤饼充满滤室需要多长时间？ 3. 在其它参数设置保持不变的情况下，改变进口速度，当进口速度为 小于3m/s时，比如v=1m/s,固相能全部通过，当口速度为大于3m/s， 固相都能被截留，在相同的参数设置下，为什么会出现这种现象？ 另外当进口速度为等于2m/s时需要迭代更多的次数。残差曲线和出 口流量曲线才能稳定？大概1.8万次。进口速度越大，得出的结论效 果越好，但还是不收敛。 4. 残差曲线为什么总不收敛，尤其是连续性曲线？ 5. 加大水力学直径加速收敛基本不可行。 6. 按照网上介绍的加快收敛的方法，把相邻区域网格大小比例控制在 1.2以内，对收敛没有效果。 7. 把出口边界条件设为自由出口试试效果如何？此时流量出口的flow rate weighting 应设置0.5还是1？ 8. 把速度入口改为压力入口试算。 9. 试试多重网格 10. 在三维中把interior改为interface
100 mm
1. 二维模型100×100 mm及模拟结果
假设条件：过滤介质内流场复杂，在建模时 需要作以下假设：①假设流体作定常流动； ②整个流动过程为等温过程。
1.1 模型设置
过滤介质 滤室
滤 液 通 道
模型大小： 100×100 mm 滤液通道：15×100 mm 过滤介质：5×100 mm 滤室：60×100 mm 多孔介质及表面区域网格较细： 网格大小0.1mm 滤液通道及滤室网格较粗0.3mm 共7.5万网格
出口流量监测图
3.多孔区模型及模拟结果
3.1 模型设置
模型大小：二维模型90×55.5 mm 滤液通道：10×55.5 mm，网格大小 0.2mm 滤室：30×55.5 mm 网格大小0.2mm 过滤介质：微孔通道和多孔介质组合， 微孔通道大小0.3mm，微孔通道之间用 2mm多孔介质模型，多孔介质模网格大 小0.15mm。 网格数量：3万 固相颗粒粒径：0.1mm



1.2 模拟结果

进料速率为10m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图

当进口速度改为3m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度分布图
压力分布图
残差曲线图
出口流量监测图
2. 二维模型100×500 mm及模拟结果
2.1 模型设置
过滤介质 滤室
滤 液 通 道
模型大小： 100×500 mm 滤液通道：15×500 mm 过滤介质：5×500 mm 滤室：60×500 mm 多孔介质及表面区域网格较细： 网格大小0.5mm 滤液通道及滤室网格较粗1mm 共3万网格 模型设置同100×100 mm模型
图3 模型图
模型设置同100×100 mm模型
3.2 模拟结果

进料速率为10m/s时，模拟结果
固相含量分布图
速度流量监测图
100 mm
4.结果讨论

一般我们都希望在收敛的情况下，残差越小越好，但是 残差曲线是全场求平均的结果，有时其大小并不一定代 表计算结果的好坏，有时即使计算的残差很大，但结果 也许是好的，关键是要看计算结果是否符合物理事实， 即残差的大小与模拟的物理现象本身的复杂性有关，必 须从实际物理现象上看计算结果。
图1模型图

求解方法：分离隐式求解，标准模型，稳态流动，欧拉多相 流模型；
相设置：悬浮液进料，液相水，固相caco3，粒径0.01mm， 体积含量0.15； 操作条件：标准大气压，考虑重力9.81 m/s2 边界条件：速度进口，进料速率为10m/s, 压力出口， 离散格式：动量方程，湍动能方程和湍流耗散率方程采用二 阶迎风格式，体积方程采用QUICK格式； 多孔介质：孔隙率0.4，固相粘性阻力系数两个方向均设为 1016（1/m2），惯性阻力系数106（1/m），液相粘性阻力系 数两个方向均设置为109（1/ m2），惯性阻力系数500 （1/m）；