【文章內(nèi)容簡介】 ）。根據(jù)用戶對結(jié)果的分析，可將上述整個過程重復(fù)幾次。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 13 51 第 4章 GAMBIT 介紹 面向 CFD 的幾何建模和網(wǎng)格生成軟件。目前是 CFD 分析中 相當(dāng) 好的前置處理器，它包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法。既可以在 GAMBIT 內(nèi)直接建立點、線、面、體的幾何模型，也可以從 PRO/E、 UGII、 IDEAS、 CATIA、 SOLIDWORKS、 ANSYS、PATRAN 等主流的 CAD/CAE 系統(tǒng)導(dǎo)入幾何和網(wǎng)格。 GAMBIT 與 CAD 軟件的直接接口和功能強大的 運算能力使用戶可 以方便地建立復(fù)雜地幾何模型。借助功能靈活，完全集成的和易于操作的界面， GAMBIT 可以顯著減少 CFD 應(yīng)用中的前置處理時間。復(fù)雜的模型可直接采用 GAMBIT 固有幾何模塊生成，或由 CAD/CAE 構(gòu)型系統(tǒng)輸入。高度自動化的網(wǎng)格生成工具保證了最佳的網(wǎng)格生成，如結(jié)構(gòu)化的、非結(jié)構(gòu)化的、多塊的、或混合網(wǎng)格。 GAMBIT 可以生產(chǎn) FLUENT、 FIDAP、 POLYFLOW 等求解器所需要地網(wǎng)格。 GAMBIT 操作界面 GAMBIT 用戶界面可分為 7 個部分，分別為：菜單欄、視圖、命令面板、命令顯示窗、命令解釋窗、命令輸入窗和視圖控 制面板。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 14 51 圖 GAMBIT 操作界面 二維網(wǎng)格建模 步驟 1． 對于二維網(wǎng)格的建立，一般要遵循從點到線，再從線到面的原則 2．首先要確定問題的計算域 3．對于已 經(jīng)確定的計算域，我們在建立計算模型時按照點、線、面的順序來進(jìn)行 4． 網(wǎng)格的劃分 5． 邊界的定義 6．網(wǎng)格的導(dǎo)出 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 15 51 第 5章 基礎(chǔ)理論 32OAl 微粒的一般性質(zhì) 人們對含 鋁推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物中的凝相微粒作了大量細(xì)致的收集和分析工作，結(jié)果證明， 98％以上的是 32OAl ，形狀大體上是球形的。 在噴管喉部 附近的上游，微粒處于高溫，是液相，凝聚力使之呈圓球型，下游則隨著加速降溫而凝固為固相圓球。 32OAl 的熔點是 ?2318 K，沸點為 ?3250 K。 關(guān)于微粒直徑 計算表明，微粒直徑（或稱微粒尺寸）對比沖效率的影響很大（見圖 ）。由圖 可見，微粒直徑每變化一微米，約使比沖效率變化 1％。因此，人們對于微粒的收集，微粒直徑的測量、估算和在兩相流計算中的處理非常重視。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 16 51 圖 噴管流動中各項損失的典型 圖例 圖 微粒直徑對比沖效率的影響 從噴管出口收集到的微粒來看，其直徑的大小都有一定的分布規(guī)律； 但是，由于推進(jìn)劑中鋁粉粒度和發(fā)動機工作條件的不同，微粒直徑的大小 是很不相同。一般來說，微粒直徑為 1－ 40 微米，而且中等直徑的居多，特大和特小的較少 。表 表示在一定試驗條件下測量得到的微粒直徑分布；而圖 表示在另一條件下測量得到的微粒直徑的連續(xù)分布曲線（該曲線所表示的微粒粒度是比較小的一種），其中縱坐標(biāo)表示噴管流中某一直徑微粒質(zhì)量與微粒總質(zhì)量之比。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 17 51 圖 微粒直徑的連續(xù)分布曲線 用連續(xù)分布 的微粒直徑來進(jìn)行兩相流計算是很麻煩的。比較精確而又可行的辦法是將微粒直徑分級進(jìn)行計算。所謂“微粒直徑分級”，就是用有限個不連續(xù)的微粒直徑組來代替真實的連續(xù)微粒直徑分布。具體做法是把連續(xù)分布直徑曲線（圖）下面的總面積按相等質(zhì)量分成幾個分面積，然后確定每一部分微粒的平均直徑。 進(jìn)行兩相流計算時，假設(shè)微粒之間沒有相互作用，因此每一直徑組的微粒都有它自己的控制方程，而所有微粒對氣體的阻力和熱交換作用則為這些不連續(xù)微粒作用的總和。在固體 發(fā)動機 含鋁推進(jìn)劑計算的實際工程應(yīng)用中，用五個不連續(xù)的微粒直徑組代替連續(xù)的微粒 直徑分布，可以得到合理近似的結(jié)果。 直徑（微米） 1． 58 2． 56 3． 52 4． 88 7． 9 表 本次課題所選用的五個典型微粒直徑組 關(guān)于微粒碰撞 在實際噴管流動中，不同直徑的微粒，其運動速度是不一樣的，小直徑的微粒阻力小，運動速度比較大，在隨氣流的運動中能逐漸趕上大直徑微粒，因而產(chǎn)海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 18 51 生微粒碰撞。碰撞的結(jié)果，使微粒凝聚或破碎。關(guān)于微粒碰撞后的凝聚和破碎模型，以及考慮微粒凝聚和破碎后對比沖效率等性能參數(shù)影響的計算，國內(nèi)外都有研究。雖然實驗數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式、和計算的處理尚未達(dá)到令人信服的程度，但是定性的 概念是可以建立起來的。 我們考慮微粒碰撞后發(fā)生兩種情況，一種是既有凝聚，又有破碎，稱之為凝聚破碎；另一種情況是只有單一的破碎，稱之為完全破碎。一般來 說，在噴管收斂段微粒碰撞易產(chǎn)生凝聚破碎，而且凝聚效應(yīng)比較大，因此 大直徑微粒有較大的增加。微粒在收斂段中所達(dá)到的最大直徑與噴管入口的微粒直徑密切相關(guān)?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)微粒間碰撞力以及微粒與氣相相間的氣動力之和大于液態(tài)微粒表面張力時，微粒被擊碎。這是微粒發(fā)生完全破碎的臨界條件。在噴管擴(kuò)張段靠近喉部處容易達(dá)到微粒完全破碎的臨界條件，因此在擴(kuò)張段靠近喉部 處大量微粒發(fā)生完全破 碎。在這里，大直徑微粒迅速減少。由于微粒直徑 變小，微粒的速度會急劇增加，因而使氣相速度突然減少（見圖 ） 。 圖 沿噴管長度氣相和凝相的速度分布 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 19 51 實驗和計 算表明，盡管噴管入口處微粒直徑可以在較大范圍內(nèi)變化，但由于在擴(kuò)張 段喉部發(fā)生完全破碎，而微粒在完全破碎后所達(dá)到的直徑是比較接近的，而且隨著向下游流動時候不會有太大的變化，因此，噴管出口處的微粒質(zhì)量加權(quán)平均半徑受噴管出口處初始尺寸的影響很小。這樣，噴管入口處的微粒尺寸對發(fā)動機性能的影響也很小。 關(guān)于微粒軌跡 微粒運動軌跡與氣相微團(tuán)運動軌跡是不重合的 。微粒的慣性比氣體微團(tuán)的慣性大，大直徑微粒的慣性更大，與氣相流相比，它們在流動中不易改變方向。因此，在噴管收斂段，微粒越大越易靠近壁面 。 計算表明，從噴管喉部到擴(kuò)張段上游一段存在“無微粒區(qū)”。實際的觀察 表明，“無微粒區(qū)”也存在微粒沉積和微粒沖刷。 關(guān)于微粒的沉積和 沖刷 32OAl 微粒在噴管壁面上發(fā)生沉積和沖刷，是固體 發(fā)動機 含有鋁推進(jìn)劑燃?xì)饬鲃又刑赜械默F(xiàn)象。要了解這種現(xiàn)象，必須研究其機理。 微粒在噴管壁面上是沉積還是 沖刷，是與噴管壁面溫度和熱防護(hù)內(nèi)襯的燒蝕率密切相關(guān)的。如果在發(fā) 動機開始工作時候壁面溫度上升較慢，壁面材料的燒蝕率又非常低，則當(dāng)高溫的 32OAl 液相微粒與壁面撞擊時，就可能迅速冷卻并粘結(jié)在壁面上，形成沉積層。這種沉積過程可能經(jīng)歷一段時間，只要噴管壁溫相對于微粒的熔點仍然較低，撞擊在壁面上的微粒就會繼續(xù)冷卻凝固而沉積。隨著時間的推移，含沉積層的噴管壁溫終究會不斷升高；當(dāng)沉積層表面達(dá)到熔化溫度時候，在高溫氣流的沖刷下，微粒已經(jīng)無法繼續(xù)粘結(jié)在處于熔融狀態(tài)的沉積表層上，甚至還有可能把熔化了的沉積層“吹”向下游。 如果在發(fā)動機開始工作的階段，噴管 壁溫能較快的上升到與 32OAl 熔點相當(dāng)?shù)暮＼姾娇展こ虒W(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 20 51 溫度則液相微粒就較難在壁面上冷卻凝固而沉積；在加上噴管的熱防護(hù)內(nèi)襯總有一定的燒蝕率，隨著溫度的升高，內(nèi)襯材料的強度下降，抗氣流沖刷能力降低，32OAl 微粒便加強了氣流的燒蝕沖刷作用。 總之，究竟是發(fā)生沉積還是沖刷，關(guān)鍵是發(fā)動機開始工作階段噴管壁溫的高低（相對于 32OAl 微粒的熔點而言）；而發(fā)動機工作開始階段噴管壁溫的高低，主要決定于熱防護(hù)內(nèi)襯的材料特性（主要是導(dǎo)熱系數(shù) 、燒蝕率、高溫強度等）、噴管結(jié)構(gòu)和燃?xì)鉁囟鹊?。如果材料的?dǎo)熱性好，內(nèi)襯的厚度大（熱容量大），燃?xì)鉁囟扔植皇呛芨?，則噴管壁溫在開始階段就比較低；反之，噴管壁溫就很快上升。 FLUENT 中的 兩 相流建模 計算流體力學(xué)的發(fā)展 為深入了解多相流動提供了基礎(chǔ)。目前有兩種數(shù)值計算的方法處理多相流：歐拉－拉格朗日方法和歐拉－歐拉方法。 歐拉－拉格朗日法 在 FLUENT 中的拉格朗日離散相模型 遵循歐拉－拉格朗日方法。流體相被處理為連續(xù)相，直接求解時均納維 斯托克斯方程，而離散相是通過計算流場中大量的粒子，氣泡或是液滴的運動得到的 。離散相和流體相之間可以有動量、質(zhì)量和能量的交換。 該模型的一個基本假設(shè)是，作為離散的第二相的體積比率應(yīng)很低，即便如此，較大的質(zhì)量加載率 ( )仍能滿足。粒子或液滴運行軌跡的計算是獨立的，它們被安排在流相計算的指定的間隙完成。這樣的處理能較好的符合噴霧干燥，煤和液體燃料燃燒，和一些粒子負(fù)載流動，但是不適用于流 流 混合物，流化床和其它 第二相體積率不容忽略的情形。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 21 51 歐拉－歐拉方法 在歐拉－歐拉方法中，不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。由于一種相所占的體積無法再被其他相占有，故此引入相體積率（ phasic volume fraction）的概念。體積率是時間和空間的連續(xù)函數(shù)，各相的體積率之和等于 1。從各相的守恒方程可以推導(dǎo)出一組方程，這些方程對于所有的相都具有類似的形式。從實驗得到的數(shù)據(jù)可以建立一些特定的關(guān)系，從而能使上述方程封閉，另外，對于小顆粒流（ granular flows） ,則可以通過應(yīng)用分子運動論的理論使方程 封閉。 在 FLUENT 中 , 共有三種歐拉 歐拉多相流模型，分別為：流體體積模型（ VOF），混合物模型，以及歐拉模型。 由于本次課題采用歐拉－拉格朗日法 處理兩相流動問題 ，所以歐拉－歐拉方法就不具體介紹了。 兩 相流動 模型與選擇 兩相 流動模型 我們可以根據(jù)下面的原則對多相流分成四類： 氣 液或者液 液兩相流： ?? 氣泡流動：連續(xù)流體中的氣泡或者液泡。 ?? 液滴流動：連續(xù)氣體中的離散流體液滴。 ?? 活塞流動 : 在連續(xù)流體中的大的氣泡 。 ?? 分層自由面流動：由明顯的分界面隔開的非混合流體流動。 氣 固兩相流： ?? 充滿粒子的流動：連續(xù)氣體流動中有離散的固體粒子。 ?? 氣動輸運：流動模式依賴諸如固體載荷、雷諾數(shù)和粒子屬性等因素。最典型的模式有沙子的流動，泥漿流，填充床，以及各向同性流。 ?? 流化床：由一個盛有粒子的豎直圓筒構(gòu)成，氣體從一個分散器導(dǎo)入筒內(nèi)。海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 22 51 從床底不斷充入的氣體使得顆粒得以懸浮。改變氣體的流量，就會有氣泡不斷的出現(xiàn)并穿過整個容器，從而使得顆粒在床內(nèi)得到充分混合。 液 固兩相流 ： ?? 泥漿流：流體中的顆粒輸運。液 固兩相流的基本特征不同于液體中固體顆粒的流動。在泥漿流中， Stokes 數(shù)通常小于 1。當(dāng) Stokes 數(shù)大于 1 時，流動成為流化（ fluidization）了的液 固流動。 ?? 水力運輸 : 在連續(xù)流體中密布著固體顆粒 。 ?? 沉降運動 : 在有一定高度的盛 有液體的容器內(nèi)，初始時刻均勻散布著顆粒物質(zhì)。隨后，流體將會分層，在容器底部因為顆粒的不斷沉降并堆積形成了淤積層，在頂部出現(xiàn)了澄清層，里面沒有顆粒物質(zhì)，在中間則是沉降層，那里的粒子仍然在沉降。在澄清層和沉降層中間，是一個清晰可辨的交界面。 兩 相流模型的選擇 解決兩 相流問題的第一步，就是從 兩項流流動模式 中挑 選出最能符合實際流動的模式。 將對如何根據(jù)不同的模式 ，挑選恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒o出最基本的原則，然后將就以下的問題給出具體的方法：即如何給定相與相之間（包括氣泡，液滴，和粒子）耦合的程度，以及如何針對不同程度的耦合情況選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ汀? 基本原則 通常，你一旦決定了采用何種模式最能符合實際的流動，那么就可以根據(jù)以下的原則來挑選最佳的模型。 ?? 對于體積率小于 10％的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動，采用離散相模型。 ?? 對于離散相混合物或者單獨的離散相體積率超出 10％的氣泡、液滴和粒子負(fù)載流動， 采用混合物模型或者歐拉模型。 ?? 對于活塞流，采用 VOF 模型 。 ?? 對于分層 /自 由面流動，采用 VOF 模型。 。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 23 51 ?? 對于氣動輸運，如果是均勻流動 ，則采用混合物模型；如果是粒子流 ，則采用歐拉模型。 ?? 對于 流化床，采用歐拉模型模擬粒子流。 ?? 對于泥漿流和水力輸運，采用混合物模型 或歐拉模型。 ?? 對于沉降，采用歐拉模型。 ?? 對于更加一般的，同時包含若干種多相流模式的情況，應(yīng)根據(jù)最感興趣的流動特征，選擇合適的流動模型。此時由于模型只是對部分流動特征做了較好模擬，其精度必然低于只包含單個模式的流動。 離散型模型概述 離散相模型 簡