Возможности дисперсной фазы: частицы

Содержание материала

Введение в частицы

Начнём с определений

Дисперсная среда – это либо мелкие частицы в газообразном, жидком или твёрдом агрегатном состоянии, либо твёрдое тело, имеющее пустоты (поры). Воспоминания о влажном морском воздухе, песчаном пляже и бокале лимонада не только наводят мысли о приближающемся лете, но и демонстрируют примеры дисперсной среды. В примерах прослеживаются ключевые свойства среды - частицы не существуют сами по себе, а взаимодействуют с несущей их сплошной фазой:

  • капельки воды переносятся воздушным потоком
  • пузырьки газа всплывают в напитке 
  • вода просачивается через грунт

При этом частицы равномерно распределяются между молекулами сплошной фазы, не вступая с ними в химическую реакцию. 

Взаимодействие дисперсной и сплошной фаз формирует дисперсную многофазную систему. В зависимости от размера частиц (d) выделяют грубодисперсные и тонкодисперсные системы. А если диаметр частицы сопоставим с размером молекулы несущей среды, то такая система уже называется истинным раствором. Вовсе не обязательно, чтобы все частицы дисперсной системы обладали одинаковым размером и формой. Скорее наоборот, они будут абсолютно непохожи друг на друга. 

class1

Во FlowVision предполагается, что размер частицы всегда много больше размера молекулы. В начальных и граничных условиях пользователь может задавать как одинаковые частицы (имеющие некоторый средний диаметр), так и спектральные распределения частиц по размерам.

Дисперсность во flowvision: Частицы и Каркас

В зависимости от агрегатного состояния дисперсной и несущей среды образуются разные дисперсные системы. Всё их многообразие представлено на схеме:class2Во FlowVision дисперсность в газовой и жидкой среде определяется взаимодействием "Частицы + Сплошная", а твёрдая пористая среда - взаимодействием "Каркас + Сплошная".

тАК В чём разница? 

Идеологически фазы "Частицы" и "Каркас" схожи - в рамках Эйлерова подхода каждую из них можно рассматривать как континуум. Однако физика у этих двух фаз разная. Главное отличие в том, что фаза "Каркас" неподвижна. Соответственно, модели и корреляции для частиц и твёрдого неподвижного тела разные: в уравнениях физических процессов для Каркаса отсутствует конвективный член. Да и в целом уравнения Движения и Переноса фазы не актуальны. 

На данном этапе последуем примеру наших разработчиков и разделим повествование о дисперсных возможностях FlowVosion на две ветки: Частицы и Каркас. И далее сконцентрируемся только на Частицах; о применении Каркаса для моделирования теплообменников, фильтров, грунта и других пористых сред мы вернёмся в третьей статье цикла.

Эйлеров подход к моделированию частиц

Во FlowVision при описании частиц их объединяют в дисперсное облако. Таким образом, физические процессы описываются не для каждой частички в отдельности, а для объёма пространства, обладающего свойствами сплошной среды. Поэтому при моделировании многофазного течения облако частиц и несущая сплошная фаза взаимодействуют как взаимопроникающие сплошные среды.

Однако при таком подходе не учитываются в явном виде столкновения частиц друг с другом и, как следствие, напряжение внутри облака отсутствует. Для учёта взаимодействия частиц между собой в рамках Эйлерова подхода традиционно вводят дополнительные модели, например, модель кипящего слоя. Во FlowVision реализована простая модель расталкивая частиц, включающая в уравнении движения частиц дополнительное слагаемое с коэффициентами, редактируемыми в интерфейсе FlowVision.

Почему в дисперсном решателе используется Эйлеров подход?

Другой подход к моделированию частиц в сплошной среде - Лагранжев. Он предполагает решение большего числа уравнений для модельных частиц. Каждая модельная частица представляет некоторое (достаточно большое) число реальных частиц. Лагранжев солвер фиксирует перемещение модельных частиц с грани на грань каждой ячейки, через которую проходит траектория частицы. Лагранжев метод был реализован во FlowVision 2-го поколения. Но во FlowVision  3.xx.xx было принято решение реализовать Эйлеров метод, требующий меньше вычислительных ресурсов и меньше оперативной памяти. У обоих методов (Эйлерова и Лагранжева) есть свои преимущества и недостатки. Их обсуждение можно найти в гидродинамической литературе. 

Что умеет моделировать FlowVision с помощью частиц?

Ограничения

  1. Текущая реализация FlowVision не позволяет добавить в модель больше одной дисперсной фазы (моделируем только Частицы или только Каркас). 
  2. FlowVision пока не моделирует фазовый переход превращения сплошной фазы в дисперсную. 

Помимо ограничений есть и возможности

  1. Частицы могут участвовать в многофазном VOF взаимодействии: (частицы + сплошная #1) + сплошная #2.
  2. Во FlowVision 3.12.02 добавлена модель конденсации частиц. Моделирование конденсации находится в стадии бета-тестирования, при возникновении сложностей в применении модели обращайтесь в службу технической поддержки, Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..
  3. Частицы совместимы с периодическими граничными условиями и скользящей поверхностью.