基于coalChemistryFoam的稠密气固两相求解器开发（

2021-01-02 本文已影响0人 charryzzz

基于coalChemistryFoam的稠密气固两相求解器开发

今天和大家一起学习一篇出自于Chalmers University of Technology的OpenFOAM课程的学生报告

对于气固两相流，如果颗粒间距远大于粒径，那么拉格朗日点源假设可以简化计算，但是当颗粒间距与粒径可比或者离散相的体积分数不可忽略，则常用的欧拉-拉格朗日方法可能不再适用，这篇报告的目的就是在欧拉-拉格朗日框架的基础上通过引入离散相的体积分数来魔改OF自带的coalChemistryFoam求解器（本报告针对的是OpenFOAMv1806）。

首先作者简要分析了coalChemistryFoam的框架，因为Lagrangian类比较复杂，有机会以后单独来讲，下面介绍关于体积分数的魔改
连续相控制方程如下（其实就是加了 $\alpha$ ）：
$\frac{\partial\left(\alpha \rho_{g}\right)}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\alpha \rho_{g} \mathbf{U}_{g}\right)=S_{m}$
$\frac{\partial( \alpha \rho_{g} \mathbf{U}_{g} )}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\alpha \rho_{g} \mathbf{U}_{g} \mathbf{U}_{g}\right)-\nabla \cdot\left(\alpha \tau_{g}\right)-\nabla \cdot\left(\alpha \rho_{g} \mathbf{R}_{g}\right)=-\alpha \nabla p+\alpha \rho_{g} \mathbf{g}+S_{\mathbf{U}}$
$\frac{\partial\left(\alpha \rho_{g}(h+K)\right)}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\alpha \rho_{g} \mathbf{U}_{g}(h+K)\right)-\nabla \cdot\left(\alpha \alpha_{e f f} \nabla(\mathrm{h})\right)=\alpha \nabla p+\alpha \rho_{g} \mathbf{U}_{g} \cdot \mathbf{g}+S_{h}$
$\frac{\partial\left(\alpha \rho_{g} Y_{i}\right)}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\alpha \rho_{g} \mathbf{U}_{g} Y_{i}\right)-\nabla \cdot\left(\alpha D_{e f f} \nabla\left(\rho_{g} Y_{i}\right)\right)=S_{i}$
在原有的coalChemistryFoam的基础上，需要做以下三点修改：

建立新的fields variables，主要就是体积分数 $\alpha$
建立新的湍流模型
更新方程的求解

Alpha fields

在createFields.H中将

#include "compressibleCreatePhi.H"

替换为

surfaceScalarField phi
(
    IOobject
    (
        "phi",
        runTime.timeName(),
        mesh,
        IOobject::READ_IF_PRESENT,
        IOobject::AUTO_WRITE
    ),
    linearInterpolate(U) & mesh.Sf()
);

这个OF中的phi在可压缩流中表示的就是质量通量，对比原来的compressibleCreatePhi.H

 surfaceScalarField phi
 (
     IOobject
     (
         "phi",
         runTime.timeName(),
         mesh,
         IOobject::READ_IF_PRESENT,
         IOobject::AUTO_WRITE
     ),
     linearInterpolate(rho*U) & mesh.Sf()
 );

不难发现\phi = \rho*U 被替换为\phi = U，为什么这么做大家可以思考一下
接着定义了连续相的体积分数

volScalarField alphac
(
    IOobject
    (
        "alpha",
        runTime.timeName(),
        mesh,
        IOobject::READ_IF_PRESENT,
        IOobject::AUTO_WRITE
    ),
    mesh,
    dimensionedScalar(dimless, Zero)
);

计算连续相体积分数

scalar alphacMin // 相体积分数的最小值 = 1 - 离散相体积分数的最大值
(
    1.0
  - readScalar
    (
        coalParcels.particleProperties().subDict("constantProperties")
       .lookup("alphaMax")
    )
);

// Update alphac from the particle locations
alphac = max(1.0 - coalParcels.theta() - limestoneParcels.theta(), alphacMin);
alphac.correctBoundaryConditions();

注意到这里调用了Lagrangian类中的theta()函数，这个函数应在OF源代码里是没有的，应该是作者自己定义的，但是作者提交的源代码里并没有Lagrangian类的部分，所以它是如何实现的我们不得而知，但是不难推断出theta()应该是返回离散相的体积。代码里coalParcels 和limestoneParcels是离散相的名称，它们是在creatClouds.H文件中定义的：

Info<< "\nConstructing coal cloud" << endl;
coalCloud coalParcels
(
    "coalCloud1",
    rhoc,
    Uc,
    g,
    slgThermo
);

Info<< "\nConstructing limestone cloud" << endl;
basicThermoCloud limestoneParcels
(
    "limestoneCloud1",
    rhoc,
    Uc,
    g,
    slgThermo
);

因为以上的修改，phi不再表示质量通量，故定义新的rhoPhi

surfaceScalarField rhocPhic
(
    IOobject
    (
        "rhoPhi",
        runTime.timeName(),
        mesh,
        IOobject::READ_IF_PRESENT,
        IOobject::AUTO_WRITE
    ),
    fvc::interpolate(rhoc)*phic
);

surfaceScalarField alphaRhoPhic
(
    IOobject
    (
        "alphaRhoPhi",
        runTime.timeName(),
        mesh,
        IOobject::READ_IF_PRESENT,
        IOobject::AUTO_WRITE
    ),
    alphacf*rhocPhic
);

至此，体积分数 $\alpha$ 及考虑体积分数的质量通量都定义好了，后续我们会继续学习余下部分：

建立新的湍流模型
更新方程的求解

基于coalChemistryFoam的稠密气固两相求解器开发（

Alpha fields

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