[论文解读] Computational modelling of gas-liquid-solid multiphase free surface flow with and without evaporation

Huihuang Xia, Marc Kamlah|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2023

Fluid Dynamics and Heat TransferEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出了一种改进的解析 CFD-DEM 框架，用于模拟有蒸发与无蒸发情况下的气-液-固多相自由表面流，引入了针对部分浮起颗粒的精细化毛细力模型。该模型准确预测了流体-固体相互作用与颗粒轨迹，通过基准案例验证，并在蒸发驱动的颗粒输运与聚集场景中得到展示。

ABSTRACT

Gas-liquid-solid multiphase systems are ubiquitous in engineering applications, e.g. inkjet printing, spray drying and coating. Developing a numerical framework for modelling these multiphase systems is of great significance. An improved, resolved CFD-DEM framework is developed to model the multiphase free surface flow with and without evaporation. An improved capillary force model is developed to compute the capillary interactions for partially floating particles at a free surface. Two well-known benchmark cases, namely drag coefficient calculation and the single sphere settling, are conducted to validate the resolved CFD-DEM model. It turns out that the resolved CFD-DEM model developed in this paper can accurately calculate the fluid-solid interactions and predict the trajectory of solid particles interacting with the liquid phase. Numerical demonstrations, namely two particles moving along a free surface when the liquid phase evaporates, and particle transport and accumulations inside an evaporating sessile droplet show the performance of the resolved model.

研究动机与目标

• 开发一种计算框架，用于模拟工程应用中复杂的气-液-固多相自由表面流，如喷墨打印和喷雾干燥。
• 解决准确建模部分浮起固体颗粒与自由液面之间毛细相互作用的挑战。
• 将解析 CFD-DEM 方法扩展至包含自由表面多相系统中的蒸发效应。
• 通过既有的基准案例验证模型，并展示其在涉及颗粒输运与聚集的真实流场情景中的预测能力。

提出的方法

• 开发了一种改进的毛细力模型，用于计算作用在气-液自由表面上部分浮起颗粒上的界面力。
• 解析 CFD-DEM 框架通过计算流体动力学（CFD）与离散元方法（DEM）耦合，以解析尺度解析流体-颗粒与颗粒-颗粒相互作用。
• 采用体积分数法（VOF）追踪多相流中液相的自由表面。
• 蒸发被建模为在气-液界面处的表面质量传递过程，并与 VOF 框架耦合。
• 该模型将流体动力学、颗粒力学与界面力整合到一个统一求解器中，用于瞬态模拟。
• 采用拖曳系数计算与单球沉降等基准案例验证流体-固体相互作用的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无蒸发的自由表面流中，解析 CFD-DEM 框架在预测流体-固体相互作用方面有多准确？
• RQ2 改进的毛细力模型对自由表面处部分浮起颗粒的动力学有何影响？
• RQ3 该模型如何模拟液滴蒸发过程中颗粒的输运与聚集？
• RQ4 该框架能否捕捉蒸发条件下复杂的多相流行为，如液桥形成与颗粒迁移？
• RQ5 该模型在再现多相系统中拖曳与沉降的既定基准结果方面表现如何？

主要发现

• 解析 CFD-DEM 模型准确预测了静止流体中单球的拖曳系数与沉降轨迹，验证了其流体动力学部分的可靠性。
• 改进的毛细力模型成功捕捉了部分浮起颗粒在自由表面处的平衡位置与受力平衡状态。
• 在模拟蒸发过程中两个颗粒沿自由表面移动时，模型再现了由于毛细力导致的颗粒向接触线迁移的现象。
• 模型正确模拟了蒸发过程中液滴边缘的颗粒聚集，其驱动力为马兰戈尼流与毛细流。
• 该框架在模拟涉及蒸发、自由表面变形与颗粒输运的复杂多相相互作用方面表现出强健性与准确性。