:::writing{variant="document" id="48317"}

Fluent 焚烧炉稳态流场 + 24 喷嘴 DPM 颗粒跟踪操作手册

1. 仿真目标与推荐总体方案

本项目建议分成两个阶段完成，不要一开始就把稳态流场、24 个喷嘴和瞬态颗粒全部耦合起来。

第一阶段：只计算焚烧炉连续相稳态流场

已知条件：

项目	顶部大入口	侧面小入口
入口直径	4 m	0.6 m
质量流量	19.226 kg/s	2.26 kg/s
温度	1775 K	533 K
流动方向	向炉内、总体向下	从侧面射入炉内

总入口质量流量为：

$$\dot m_{\mathrm{total}}=19.226+2.26=21.486\ {\rm kg/s}$$

稳态计算结束以后，出口质量流量应基本稳定在 21.486 kg/s 附近。

第二阶段：在已经收敛的稳态气相流场上加入 24 个喷嘴

你的当前目标只是：

• 看颗粒运动轨迹；
• 看颗粒空间分布；
• 看颗粒速度；
• 暂时不考虑蒸发；
• 暂时不考虑颗粒对烟气流场的反作用。

因此最推荐的模型是：

稳态连续相 + Steady DPM + One-Way Coupling + Inert Particle

也就是说：

目前完全没有必要使用 Unsteady Particle Tracking + 1e-5 s。

Fluent 本身支持在固定连续相流场中采用 one-way coupling 预测颗粒轨迹，即气体影响颗粒，但颗粒不反过来改变气体流场。(Ansys Help)

对于 Steady Tracking，颗粒释放后 Fluent 会直接把该颗粒追踪到最终状态，例如 escaped、trapped 或达到最大追踪步数，而不是按照真实时间每隔 $10^{-5}$ s 不断释放新颗粒。(Ansys Help)

这正适合你现在的研究目的。

---

2. 为什么你之前会一直出现 “Advancing DPM Injection”，而且非常慢

你之前的设置大致是：

• 喷嘴数量：24；
• 每个喷嘴 Number of Streams = 500；
• 总 streams：

$$24\times500=12000$$

• Unsteady Particle Tracking；
• Particle Time Step = $1\times10^{-5}$ s。

问题的核心不是单纯“500 太大”，而是：

500 streams × 24 个喷嘴 × 极小的颗粒时间步 × 连续喷射。

在 Fluent 的标准非稳态 parcel release 方法下，每一个 injection stream 在每一个颗粒释放时间步都可以产生一个 parcel。官方文档明确说明，Standard Parcel Release Method 默认是每个 injection stream、每个 injection time step 释放一个 parcel。(Ansys Help)

因此，你的计算规模增长得极快。

例如只模拟颗粒运动 0.01 s：

$$N_t=\frac{0.01}{10^{-5}}=1000$$

理论上的释放事件数量可达到：

$$12000\times1000=1.2\times10^7$$

也就是约 1200 万次 parcel release。

如果模拟 0.1 s：

$$12000\times10000=1.2\times10^8$$

约 1.2 亿。

如果做到 1 s，则可能达到十亿量级的释放事件。

而且每一个 parcel 被生成以后并不是计算一次就结束，它还需要不断穿越网格单元并求解颗粒运动方程。因此控制台长时间显示：

Advancing DPM Injection...

是完全可以理解的。

如果同时还有以下设置，计算会进一步变慢：

• Interaction with Continuous Phase 开启；
• Discrete Random Walk；
• Number of Tries > 1；
• High Resolution Tracking；
• 很大的 Maximum Number of Tracking Steps；
• 炉内存在大面积回流；
• 很细的网格；
• 颗粒不断撞壁或反弹；
• 颗粒持续喷射很长物理时间。

其中 DRW 的 Number of Tries 会直接重复计算颗粒轨迹，例如 Number of Tries=5，相当于一个 stream 进行 5 次随机轨迹计算。(Ansys Help)

所以，你当前最重要的优化并不是把 $10^{-5}$ 改成 $5\times10^{-5}$，而是：

直接改成 Steady Particle Tracking。

---

3. Fluent 启动设置

建议使用：

• 3D；
• Double Precision；
• CPU Solver；
• Parallel；
• 8～32 CPU cores，根据工作站配置选择。

对于 DPM，Fluent 支持 Hybrid、Message Passing 等并行方式；现代版本默认推荐 Hybrid。(Ansys Help)

如果你准备按照本文建议使用 Steady DPM，不建议使用 Fluent GPU Solver，因为目前 GPU Solver 的 DPM 只支持 transient particle tracking，不支持 CPU Solver 中的 steady particle tracking。(Ansys Help)

---

4. 网格检查

进入：

Mesh → Check

首先保证：

• 没有 negative volume；
• 没有严重 skewness；
• 入口、出口和壁面方向正确；
• 炉内所有区域属于连续的 fluid zone。

重点加密：

1. 顶部 4 m 大入口下游；
2. 侧面 0.6 m 射流入口；
3. 两股流体交汇区域；
4. 预计出现大回流的区域；
5. 将来 24 个喷嘴所在高度。

尤其是 0.6 m 小入口射流区域，速度梯度会明显高于主体区域，不建议使用和炉膛主体完全一样的粗网格。

目前的 24 个颗粒喷嘴如果只是为了 DPM 喷射，并不一定要在几何模型中真正建立 24 根小管和 24 个圆孔。

Fluent 可以直接使用 Point/Cone Injection 给出：

• 喷嘴坐标；
• 喷射方向；
• 初速度；
• 颗粒直径；
• 锥角。

这样可以避免为了 DPM 把网格数量大幅增加。

只有在你还需要研究：

“喷嘴携带气流本身如何改变炉膛连续相流场”

时，才有必要真正建立喷嘴流体域。

---

5. General 设置

进入：

Setup → General

推荐：

Solver

Pressure-Based

Time

Steady

Velocity Formulation

Absolute

Gravity

建议开启。

这个炉膛温度达到 1775 K，冷热气体密度差非常明显，因此浮力可能对流场产生影响。

假设竖直方向是 Z 方向，并且 Z 正方向向上：

$$g_z=-9.81\ {\rm m/s^2}$$

如果你的坐标方向不同，则按照实际模型填写。

---

6. Models 设置

6.1 Energy

进入：

Models → Energy

选择：

ON

必须开启 Energy，因为两个入口分别为：

• 1775 K；
• 533 K。

不计算能量方程就无法合理获得温度混合和密度变化。

---

6.2 湍流模型

第一版建议：

Models → Viscous → Realizable k-epsilon

壁面处理：

Scalable Wall Functions

或者根据你的版本选择对应 wall treatment。

对于当前这种：

• 炉膛；
• 高温流动；
• 射流；
• 回流；
• 混合；

Realizable $k-\varepsilon$ 是比较稳健的第一选择。

以后如果重点研究壁面附近流场或者喷嘴附近细节，可以再对比 SST $k-\omega$。

---

6.3 Radiation

1775 K 已经属于非常高的温度，因此最终进行真实焚烧炉温度场分析时，辐射通常不能忽略。

不过你当前首要目的是：

跑通稳态流场 → 再研究颗粒分布。

因此第一轮调试可以暂时：

Radiation = OFF

这样更容易收敛。

等整个 DPM 流程确认正确以后，如果需要准确温度场，可以再加入：

• P1；
• DO；

以及真实壁面 emissivity。

---

7. Materials 设置

如果目前没有详细烟气组分，可以先将连续相近似成 air。

进入：

Materials → Fluid → air

最重要的是：

Density

选择：

ideal-gas

不建议直接使用 Constant Density。

因为：

$$T=533\sim1775\ {\rm K}$$

温度变化太大，气体密度变化不能简单忽略。

Cp

优先使用温度相关性质，例如：

piecewise-polynomial

如果暂时只是调试，也可以先使用软件已有的 air properties。

Viscosity

可以使用：

Sutherland

或者 Fluent 自带的温度相关空气性质。

如果你有真实烟气组分，例如：

• CO₂；
• H₂O；
• N₂；
• O₂；

以后再改成 mixture/species 模型。

---

8. Operating Conditions

建议：

Operating Pressure = 101325 Pa

如果设备实际上接近常压运行。

压力出口使用：

Gauge Pressure = 0 Pa

这样绝对压力约为一个大气压。

---

9. 顶部大入口设置

选择顶部直径 4 m 的入口。

Boundary Type：

mass-flow-inlet

填写：

Mass Flow Rate

$$\boxed{19.226\ {\rm kg/s}}$$

Temperature

$$\boxed{1775\ {\rm K}}$$

Flow Direction

如果入口表面法向正确：

Normal to Boundary

即可。

如果模型法向不正确，则使用方向分量显式指定。

Turbulence

第一版建议：

Intensity and Hydraulic Diameter

例如：

• Turbulence Intensity = 5%；
• Hydraulic Diameter = 4 m。

如果你有入口实验数据，则以实验数据为准。

---

10. 侧面 0.6 m 入口设置

Boundary Type：

mass-flow-inlet

Mass Flow Rate

$$\boxed{2.26\ {\rm kg/s}}$$

Temperature

$$\boxed{533\ {\rm K}}$$

Hydraulic Diameter

$$\boxed{0.6\ {\rm m}}$$

Turbulence Intensity

第一版可使用：

5%

Direction

这一项非常重要。

必须保证侧面射流是：

沿管道轴线向炉膛内部喷射。

不要仅仅看箭头，最好在 Fluent 中 Display/Vector 检查入口方向。

---

11. 出口设置

如果炉膛底部为出口：

Boundary Type：

pressure-outlet

Gauge Pressure

$$0\ {\rm Pa}$$

Backflow Temperature

可以先取一个合理值，例如：

1000～1500 K。

该参数只有发生反向流动时才会发挥作用。

如果出口存在明显反流，不要仅仅依靠残差判断收敛，需要继续检查炉膛内部回流结构是否合理。

---

12. Wall 设置

第一轮推荐：

• No Slip；
• Stationary Wall；
• Thermal：Adiabatic。

这样先减少问题复杂度。

如果之后有：

• 实际壁温；
• 炉墙热损失；
• 耐火材料参数；

再加入壁面传热。

---

13. Solution Methods

第一阶段为了尽快得到稳定流场，推荐：

Pressure-Velocity Coupling

先使用：

SIMPLE

如果机器性能允许，也可以用：

Coupled

复杂回流流场下 Coupled 有时收敛更快，但每一步计算成本也更高。

Spatial Discretization

第一阶段：

• Gradient：Least Squares Cell Based；
• Pressure：Standard；
• Momentum：First Order Upwind；
• Turbulent Kinetic Energy：First Order Upwind；
• Turbulent Dissipation Rate：First Order Upwind；
• Energy：First Order Upwind。

先获得一个稳定解。

---

14. Initialization

使用：

Solution Initialization → Hybrid Initialization

点击：

Initialize

然后开始计算。

建议先：

300～500 iterations

观察流场。

---

15. 从一阶切换到二阶

当：

• residual 开始稳定下降；
• 入口和出口质量流量稳定；
• 炉内速度结构不再明显变化；

以后，将：

• Momentum；
• Energy；
• k；
• epsilon；

逐步切换成：

Second Order Upwind

Pressure 可以根据情况使用：

Second Order

然后继续计算，例如 500～1500 iterations。

具体迭代次数不应作为收敛标准。

---

16. 稳态场真正的收敛判断

不要只看 residual。

至少同时检查以下四项。

16.1 Residual

可以参考：

• Continuity < $10^{-4}$；
• Momentum < $10^{-4}$；
• k、epsilon < $10^{-4}$；
• Energy < $10^{-6}$。

并不是必须机械达到某一个数字，更关键的是整体稳定。

---

16.2 质量守恒

总入口：

$$21.486\ {\rm kg/s}$$

检查：

Reports → Fluxes → Mass Flow Rate

出口应该接近：

$$\boxed{21.486\ {\rm kg/s}}$$

质量不平衡建议至少控制在：

0.5% 以内

更理想是：

0.1%～0.2%以内。

---

16.3 监测出口质量流量

创建 Report Definition：

Mass Flow Rate → outlet

观察其随 iteration 是否趋于水平。

---

16.4 监测炉内速度

建议在以下位置分别建立一个 plane：

• 炉膛上部；
• 侧入口下游；
• 炉膛中部；
• 炉膛下部。

分别监测：

Area-Weighted Average Velocity Magnitude

如果 residual 看起来不错，但这些速度仍一直漂移，则还没有真正稳定。

---

17. 保存稳态流场

确认连续相收敛后：

File → Write → Case & Data

例如保存：

furnace_steady_converged.cas.h5

furnace_steady_converged.dat.h5

这个文件非常重要。

后面所有 DPM 设置都基于这个稳态结果进行。

不要修改一次 DPM 就重新从头计算气相。

---

18. 第二阶段：开启 DPM

进入：

Models → Discrete Phase → Edit

对于你当前目标，最关键的设置是：

Particle Treatment

选择：

$$\boxed{\text{Steady Tracking}}$$

而不是：

Unsteady Particle Tracking

Fluent 的 Steady Tracking 会把释放后的颗粒直接追踪到最终 fate，因此非常适合在已经收敛的稳态流场上做颗粒轨迹后处理。(Ansys Help)

---

19. Interaction with Continuous Phase

一定先关闭：

$$\boxed{\text{Interaction with Continuous Phase = OFF}}$$

也就是 one-way coupling。

此时：

$$\text{气体}\rightarrow\text{颗粒}$$

但：

$$\text{颗粒}\not\rightarrow\text{气体}$$

这是你当前最需要的。

因为你的目标只是：

“看看颗粒去哪里、速度是多少。”

没有必要每算一次颗粒又重新修正气体动量方程。

官方对 one-way coupling 的定义就是：基于固定连续相流场预测离散相运动，而不让离散相源项改变连续相。(Ansys Help)

---

20. 颗粒类型

如果喷嘴喷的是水，但你明确要求：

暂时不考虑蒸发。

第一版推荐直接用：

Particle Type = Inert

不要使用 evaporation。

颗粒材料可以建立一个类似：

water-inert

例如：

• Density = 998～1000 kg/m³；
• Cp 可使用水的相应数值。

这样虽然物理上把水滴简化成了不会蒸发的惰性球形颗粒，但正好满足你目前单独研究：

• 惯性；
• 气动力；
• 重力；
• 颗粒速度；

的目标。

---

21. DPM Physical Models

第一轮只保留最基本模型。

建议：

Drag

ON。

一般使用默认：

Spherical

Gravity

如果 General 中已经开启 gravity，则颗粒会受到重力作用。

Turbulent Dispersion

第一轮：

$$\boxed{\text{OFF}}$$

Particle Radiation

OFF。

Evaporation

OFF。

Boiling

OFF。

Breakup

OFF。

Collision

OFF。

Wall Film

OFF。

Thermophoresis

第一轮 OFF。

Saffman Lift

第一轮 OFF。

你的第一轮目标是把最基本的：

$$m_p\frac{d\mathbf v_p}{dt} = F_{\rm drag}+F_{\rm gravity}$$

跑清楚。

---

22. DPM Tracking Parameters

进入 DPM 的 Tracking/Numerics 页面。

建议第一轮：

Step Length Factor

$$\boxed{5}$$

这是一个很合适的起始值，也是 Fluent 常用默认值。

它不是你之前的 $10^{-5}$ s。

Step Length Factor 控制颗粒在穿越网格单元时积分步长的大小；数值越大，积分步长越小，轨迹更精细，同时计算量也越大。官方文档也给出了这一关系。(Ansys Help)

Max. Number of Steps

可以第一轮设：

$$\boxed{10000}$$

然后观察 particle fate。

如果很多颗粒显示：

incomplete

而且不是因为它们长期困在回流区域，再增加为：

• 20000；
• 50000。

Fluent 的 steady particle tracking 默认最大追踪步数可达到较大的数值，因为回流区中的颗粒可能需要许多积分步。(Ansys Help)

但是：

不要一开始为了“保险”就设几十万或者几百万。

炉膛中一旦存在困住颗粒的回流区，会导致单个 stream 被追踪很长时间。

---

23. 24 个喷嘴最推荐的建立方式

如果 24 个喷嘴只负责颗粒释放，而不需要模拟喷嘴自身气流：

不要建立 24 个真实喷管流体域。

直接：

Discrete Phase → Injections → Create

建立 24 个 injection。

如果每个喷嘴形成锥形喷雾，使用：

Cone

或者根据版本选择相应的：

Solid Cone

如果只是想先测试运动方向：

Point Injection

更加简单。

---

24. Number of Streams 应该设置多少

你之前：

$$500/\text{喷嘴}$$

一共：

$$12000\ streams$$

对于最终定量研究并不一定离谱。

但是对于第一轮测试完全没有必要。

建议采用逐级方法：

调试阶段

$$\boxed{20\sim30\ streams/nozzle}$$

例如 30：

$$24\times30=720$$

总共只有 720 条计算轨迹。

第一版正式结果

$$\boxed{50\ streams/nozzle}$$

总计：

$$24\times50=1200$$

网格和颗粒统计敏感性分析

继续比较：

• 50 streams/nozzle；
• 100 streams/nozzle；
• 200 streams/nozzle；
• 500 streams/nozzle。

如果 100 和 200 得到的：

• 喷雾覆盖范围；
• 截面平均颗粒速度；
• 撞壁比例；
• 出口比例；

变化已经很小，就没有必要使用 500。

需要特别理解：

Number of Streams 不是现实中的液滴数量。

一个 Fluent parcel/stream 可以代表大量真实液滴。

---

25. 颗粒直径是必须认真给定的

如果不知道颗粒粒径，仅仅知道喷嘴数量，那么：

颗粒速度和颗粒分布实际上无法得到唯一的物理解。

例如：

• 10 μm 水滴；
• 100 μm 水滴；
• 500 μm 水滴；
• 1 mm 水滴；

在同一个气流中的行为完全不同。

小颗粒很容易跟随烟气；

大颗粒惯性和重力明显，会保持自己的喷射方向更长时间。

因此至少需要知道：

• 平均直径；
• SMD/D32；
• 或者粒径分布。

如果现在暂时没有数据，可以先做三组敏感性分析，例如：

$$d_p=50\ \mu m$$ $$d_p=100\ \mu m$$ $$d_p=200\ \mu m$$

看结果的变化。

最终再换成喷嘴厂家的实际粒径数据。

如果有实际粒径分布，可以以后采用 Rosin-Rammler。

---

26. 喷嘴初速度同样非常重要

每个 injection 至少需要确定：

• X；
• Y；
• Z；
• Velocity Magnitude；
• Direction；
• Diameter；
• Mass Flow Rate；
• Cone Angle。

颗粒从喷嘴出来的初速度不能随意设置成：

0 m/s

否则模拟的是颗粒在出口位置“凭空出现以后，被气体逐渐带走”。

真正的喷雾通常本身就具有明显初速度。

如果有：

• 单喷嘴液体流量；
• 喷嘴孔径；

可以估算：

$$U_0=\frac{\dot m}{\rho_l A}$$

再作为颗粒初速度的参考。

---

27. 24 个喷嘴均匀圆周布置时的方向设置

如果 24 个喷嘴沿炉膛圆周均匀排列：

$$\Delta\theta=\frac{360^\circ}{24} = 15^\circ$$

第 $i$ 个喷嘴：

$$\theta_i=\theta_0+(i-1)15^\circ$$

如果全部水平向炉膛中心喷射，并假设炉膛轴线是 Z 轴，则单位方向可以写成：

$$d_x=-\cos\theta_i$$ $$d_y=-\sin\theta_i$$ $$d_z=0$$

如果喷嘴同时向下倾斜 $\alpha$，则可写成：

$$d_x=-\cos\alpha\cos\theta_i$$ $$d_y=-\cos\alpha\sin\theta_i$$ $$d_z=-\sin\alpha$$

颗粒初速度为：

$$u_p=U_0d_x$$ $$v_p=U_0d_y$$ $$w_p=U_0d_z$$

这样 24 个喷嘴的方向不会手工输错。

---

28. Injection Point 不要正好放在壁面上

这是 DPM 很常见的问题。

如果喷嘴没有真实建立成一个 fluid inlet，而只是一个 point/cone injection：

不要把颗粒初始点精确放在 wall surface 上。

否则颗粒一生成就可能：

• 被判断为 trapped；
• escape；
• 找不到所属 cell；
• 出现异常 trajectory。

建议把 injection point 向炉膛内部移动一点。

典型做法是：

从壁面沿喷射方向向流体域内部移动约半个到一个局部网格尺度。

确保初始位置确实位于 fluid cell 内。

---

29. 每个喷嘴的 Mass Flow Rate

如果已经知道总喷液流量：

$$\dot m_{l,\rm total}$$

而 24 个喷嘴完全相同：

$$\dot m_{\rm nozzle} = \frac{\dot m_{l,\rm total}}{24}$$

填入每个 injection。

如果当前真的只是：

看轨迹和速度，不考虑颗粒影响烟气；

那么在 one-way coupling 下，mass flow rate 对单个颗粒的运动轨迹并不像：

• 粒径；
• 初速度；
• 密度；

那么敏感。

但是为了后面统计结果有实际意义，还是建议填写真实值。

---

30. DPM Boundary Conditions

需要检查 wall 和 outlet 的 DPM boundary condition。

炉墙

第一轮建议：

$$\boxed{\text{Trap}}$$

这样只要颗粒撞墙，就停止追踪，并被统计为 trapped。

这样非常适合回答：

“多少颗粒撞到了炉壁？”

如果设置成 Reflect，颗粒会反弹回来，会增加大量追踪时间，也会使模型更复杂。

所以第一轮不要用 Reflect。

出口

设置：

$$\boxed{\text{Escape}}$$

颗粒到达出口以后结束追踪。

---

31. 第一轮推荐的 24 喷嘴 DPM 参数汇总

参数	第一轮推荐
Continuous Phase	已收敛稳态流场
DPM Tracking	Steady
Interaction with Continuous Phase	OFF
Particle Type	Inert
Evaporation	OFF
Breakup	OFF
Collision	OFF
Wall Film	OFF
Turbulent Dispersion	OFF
Gravity	ON
Drag	ON
Number of Streams	20～50/nozzle
总 Streams	480～1200
Step Length Factor	5
Max Tracking Steps	10000 起步
Wall DPM BC	Trap
Outlet DPM BC	Escape
Particle Diameter	实际值/敏感性分析
Particle Initial Velocity	实际喷嘴出口速度
Cone Angle	实际喷嘴参数

这一套配置通常会比：

24 × 500 streams + Unsteady DPM + $10^{-5}$ s

快非常多。

---

32. 开始计算 DPM 时，不需要重新跑连续相

这是一个非常重要的操作逻辑。

稳态气相已经计算完成以后：

不要再点击 Run Calculation 跑几千步气相迭代。

对于你现在的 one-way Steady DPM：

直接进入：

Results → Graphics → Particle Tracks

选择 24 个 injection。

点击：

Display

Fluent 会基于当前已经存在的气相速度场计算这些颗粒轨迹。

---

33. 如何查看颗粒速度

进入：

Results → Graphics → Particle Tracks

选择：

Release From Injections

把所有 24 个喷嘴勾选。

Color By 选择：

Particle Variables → Particle Velocity Magnitude

即可得到：

颗粒轨迹按照速度大小着色。

建议显示范围不要一直用自动范围，可以统一 color scale，方便不同算例比较。

例如比较：

• 50 μm；
• 100 μm；
• 200 μm；

三种粒径时使用相同 velocity range。

---

34. 如何查看颗粒分布

如果你的“颗粒分布”指的是：

从哪里喷入、怎么扩散、覆盖到炉膛什么范围。

Steady Particle Tracks 已经足够。

可以分别：

Color by Velocity

看速度。

Color by Residence Time

看停留时间。

Color by Particle Diameter

如果采用粒径分布，看不同粒径去了哪里。

---

35. 建立多个截面检查颗粒分布

推荐沿炉膛高度建立几个 plane，例如：

• Plane-1：喷嘴附近；
• Plane-2：喷嘴下方；
• Plane-3：炉膛中部；
• Plane-4：下部；
• Plane-5：出口附近。

然后利用：

DPM Sampling

统计颗粒穿过各个截面时的：

• X/Y/Z Position；
• Particle Velocity；
• Diameter；
• Residence Time；
• Mass Flow；
• Particle Fate。

Fluent 支持在指定 sampling surface 上记录颗粒通过时的数据，用于后续统计分析。(Ansys Help)

这比仅仅截图看彩色轨迹更有定量意义。

---

36. 推荐的颗粒结果指标

你最终最好不只是输出一张 Particle Tracks 图，而是至少整理以下指标：

1. 炉膛不同高度的颗粒覆盖范围；
2. 平均颗粒速度；
3. 最大颗粒速度；
4. 最小颗粒速度；
5. 出口颗粒比例；
6. 撞壁颗粒比例；
7. incomplete 比例；
8. 不同粒径颗粒轨迹差异；
9. 炉膛中心区域的颗粒覆盖情况；
10. 24 个喷嘴之间是否出现明显的空白区或重叠区。

---

37. 第二轮：考虑湍流导致的颗粒随机扩散

第一轮确定整个流程正确以后，再开启：

Turbulent Dispersion → Discrete Random Walk

这一步可以让颗粒受到湍流瞬时脉动的影响。

此时建议：

Number of Tries

先：

$$\boxed{3}$$

而不是直接 10、20。

因为 Steady DRW 中：

• tries=1 → 每条流线计算 1 次；
• tries=5 → 基本相当于重复 5 次随机轨迹；
• tries=10 → 成本约进一步增加。

Fluent 官方也明确说明 Number of Tries > 1 会对一个 stream 进行多次不同随机湍流轨迹计算。(Ansys Help)

因此推荐：

先提高 Number of Streams，再适度提高 Number of Tries，而不是一开始两个都设得很大。

---

38. 推荐的颗粒收敛/独立性测试

例如固定：

• 颗粒粒径；
• 初速度；
• Cone Angle；
• 其余条件完全一样。

分别计算：

Case A

25 streams/nozzle

总计：

$$600$$

Case B

50 streams/nozzle

总计：

$$1200$$

Case C

100 streams/nozzle

总计：

$$2400$$

Case D

200 streams/nozzle

总计：

$$4800$$

比较：

• trapped fraction；
• escaped fraction；
• 各截面平均速度；
• 喷雾覆盖半径。

如果：

$$100\rightarrow200$$

结果变化已经小于例如 2%～5%，那么没有必要继续增加到 500。

---

39. 如果以后确实需要“某一时刻颗粒云团在哪里”

这个需求和现在的“轨迹和速度”是不同的。

例如你以后要研究：

0.2 s 时整个炉膛内有多少水滴，0.5 s 时颗粒云移动到了哪里。

这时才需要：

Unsteady Particle Tracking

但是也不建议马上回到：

$$10^{-5}\ {\rm s}$$

建议首先尝试：

$$\boxed{10^{-3}\ {\rm s}}$$

然后进行时间步敏感性测试：

$$10^{-3}$$

与：

$$5\times10^{-4}$$

如果结果基本不变，就没有必要使用 $10^{-5}$。

需要注意，这个 Particle Time Step 与 steady tracking 中的 Step Length Factor 是两个不同概念。

---

40. 如果必须做 Unsteady DPM，如何避免再次出现极慢的问题

建议第一版：

参数	推荐
Continuous Flow	保持已经收敛的稳态场
DPM	Unsteady
Interaction with Continuous Phase	OFF
Particle Time Step	$10^{-3}$ s 起步
Number of Streams	10～30/nozzle
Start Time	0
Stop Time	根据实际喷射时间
DRW	第一版 OFF
Collision	OFF
Breakup	OFF
Evaporation	OFF

如果只是想观察“一团颗粒喷进去以后怎么运动”，还有一个非常实用的办法：

Pulse Injection

令：

Start Time = 0

Stop Time = 0

在 Fluent 的 Unsteady Particle Tracking 中，start 和 stop 都设为 0 时，颗粒只会在计算开始时释放一次，而不是以后每一个时间步不断生成。(Ansys Help)

这时候即便：

$$500\ streams/nozzle$$

也只是初始释放约：

$$24\times500=12000$$

个计算 streams/parcels。

而不是：

$$12000\times N_{\rm timestep}$$

因此会快很多。

这非常适合你以后制作：

“喷射颗粒云团随时间进入炉膛的动画”。

---

41. Steady DPM 与 Unsteady DPM 到底怎么选

可以按下面这个原则判断。

只想知道：

“从喷嘴喷出来的颗粒最后往哪里走？”

→ Steady DPM

只想知道：

“颗粒速度是多少？”

→ Steady DPM

想知道：

“哪些颗粒撞墙，哪些到出口？”

→ Steady DPM

想比较不同粒径的轨迹：

→ Steady DPM

想看统计意义上的喷雾覆盖：

→ Steady DPM + DRW

想知道：

“第 0.15 s 时炉内颗粒云具体在哪里？”

→ Unsteady DPM

想考虑碰撞、聚并等时间相关喷雾过程：

→ 通常需要 Unsteady DPM。Fluent 对需要粒子同时随时间演化的模型也要求使用 transient tracking。(Ansys Help)

---

42. 你的项目现在最建议采用的计算路线

按照以下顺序执行即可。

Step 1

暂时完全关闭 DPM。

Step 2

建立：

• Pressure-Based；
• Steady；
• Energy ON；
• Ideal Gas；
• Realizable $k-\varepsilon$；
• Gravity ON。

Step 3

顶部入口：

$$19.226\ {\rm kg/s},\quad1775\ {\rm K}$$

Step 4

侧入口：

$$2.26\ {\rm kg/s},\quad533\ {\rm K}$$

Step 5

出口：

Pressure Outlet = 0 Pa gauge

Step 6

Hybrid Initialization。

Step 7

一阶计算至基本稳定。

Step 8

改二阶继续计算。

Step 9

确保：

$$\dot m_{\rm outlet} \approx21.486\ {\rm kg/s}$$

并且各监测点稳定。

Step 10

保存：

steady_gas_converged

Step 11

开启 DPM。

Step 12

选择：

$$\boxed{\text{Steady Tracking}}$$

Step 13

关闭：

$$\boxed{\text{Interaction with Continuous Phase}}$$

Step 14

Particle：

Inert

Step 15

建立 24 个 injections。

Step 16

第一轮每喷嘴：

$$\boxed{30\ streams}$$

共：

$$720$$

Step 17

输入真实：

• 坐标；
• 喷射方向；
• 初速度；
• 粒径；
• Cone Angle。

Step 18

Wall：

Trap

Outlet：

Escape

Step 19

Tracking：

• Step Length Factor = 5；
• Max Steps = 10000。

Step 20

显示：

Particle Tracks

Color By：

Particle Velocity Magnitude

Step 21

检查：

• trapped；
• escaped；
• incomplete。

Step 22

如果正常，再把 streams 增加：

30 → 50 → 100 → 200。

Step 23

最后再开启 DRW，研究湍流扩散。

Step 24

只有确实需要“颗粒随真实时间变化的云团”时，再做 Unsteady Particle Tracking。

---

43. 你现在最不应该做的设置

当前研究阶段不推荐：

$$\boxed{ 24\times500\ streams + Unsteady\ DPM + \Delta t_p=10^{-5}s + Continuous\ Injection }$$

因为这种设置计算的是：

大量 parcel 按极高频率连续生成，并且每一个 parcel 都要继续追踪。

而你现在其实只想解决：

“24 个喷嘴喷出的颗粒在这个已经收敛的炉内气流中会去哪里、速度怎么样？”

两者的计算任务完全不是一个量级。

---

44. 推荐的最终第一版配置

如果现在让我直接替你确定第一版参数，我建议使用：

连续相

• Pressure Based；
• Steady；
• Energy ON；
• Gravity ON；
• Ideal Gas；
• Realizable $k-\varepsilon$；
• 顶部 19.226 kg/s，1775 K；
• 侧面 2.26 kg/s，533 K；
• Pressure Outlet；
• 首先一阶，再二阶；
• 完全收敛后保存。

颗粒相

• CPU Fluent；
• DPM；
• Steady Tracking；
• Interaction with Continuous Phase OFF；
• Inert Particle；
• Density ≈ 1000 kg/m³，如果代表水滴；
• Evaporation OFF；
• Breakup OFF；
• Collision OFF；
• Wall Film OFF；
• DRW 第一轮 OFF；
• Gravity ON；
• 24 个 Cone/Point injections；
• 30～50 streams/nozzle；
• Step Length Factor = 5；
• Max Steps = 10000；
• Wall = Trap；
• Outlet = Escape。

如果以 50 streams/nozzle 为例：

$$N_{\rm total}=24\times50=1200$$

Fluent 只需要处理约 1200 条主要计算轨迹，而不是随着每一个 $10^{-5}$ s 时间步不断增加新 parcel。

这应该作为你下一次计算的起点。

---

45. 后续必须补充的 4 个喷嘴参数

虽然上述设置已经可以把 Fluent 的整个流程跑起来，但要得到具有实际物理意义的颗粒分布和颗粒速度，还缺少四类重要信息：

1. 每个喷嘴的喷液质量流量；
2. 颗粒/液滴粒径或粒径分布；
3. 喷嘴出口初速度；
4. 喷雾锥角以及 24 个喷嘴的具体方向。

其中尤其是：

$$\boxed{\text{粒径 + 初速度}}$$

对颗粒轨迹影响非常明显。

所以目前不建议凭经验随便设置以后就直接将结果作为最终结果。

可以先利用 Steady DPM 把整个流程验证正确，再加入真实喷嘴参数。

---

46. 最后给你的计算流程图

text
检查网格
    ↓
设置连续相
Pressure-Based + Steady
    ↓
Energy ON
Ideal-Gas
Realizable k-epsilon
Gravity ON
    ↓
顶部入口
19.226 kg/s
1775 K
    ↓
侧入口
2.26 kg/s
533 K
    ↓
Pressure Outlet
    ↓
Hybrid Initialization
    ↓
一阶计算
    ↓
二阶计算
    ↓
检查质量守恒
Outlet ≈ 21.486 kg/s
    ↓
检查速度/压力/温度监测值稳定
    ↓
保存 Steady Case/Data
    ↓
开启 DPM
    ↓
Steady Tracking
Interaction with Continuous Phase = OFF
    ↓
Inert Particle
No Evaporation
No Breakup
No Collision
    ↓
24 个喷嘴
30~50 streams/nozzle
    ↓
Step Length Factor = 5
Max Steps = 10000
    ↓
Wall = Trap
Outlet = Escape
    ↓
Particle Tracks
Color by Particle Velocity
    ↓
检查
Escaped / Trapped / Incomplete
    ↓
Streams 敏感性
50 → 100 → 200
    ↓
需要时开启 DRW
    ↓
最后才考虑
Unsteady DPM / 蒸发 / Breakup / Two-Way Coupling

针对你现在遇到的 Advancing DPM Injection 耗时问题，最关键的一句话就是：先不要用 $10^{-5}$ s 的 Unsteady DPM。对于“固定稳态气相流场中观察 24 个喷嘴的颗粒分布和速度”这个目标，优先使用 one-way 的 Steady DPM。 :::

如果你下一步能提供24 个喷嘴的布置图、喷嘴出口直径、单喷嘴流量、喷射速度/压力、喷雾角和液滴粒径，我可以进一步直接按你的几何坐标给出“24 个 Injection 每一项在 Fluent 里具体填什么”，包括 24 个喷嘴的 X/Y/Z 和 X/Y/Z Velocity 参数表。