無(wú)論是設(shè)計(jì)高超聲速運(yùn)載工具的除冰系統(tǒng)、進(jìn)行血液酶測(cè)試，還是輸送和熔化稀有金屬粉末化合物以進(jìn)行增材制造，或是為偏遠(yuǎn)地區(qū)配制一套過(guò)濾系統(tǒng)以提供潔凈的飲用水，工程師都需要考慮液體、固體和氣體之間的相互作用。在這些不盡相同的多相流應(yīng)用中，每一種仿真都需要不同的建模方法。

 

1.多相流的分類及仿真方法

 

精確的多相流仿真依賴于精確的物理模型

 

精確的多相流模擬依賴于各相之間的機(jī)械、熱和化學(xué)相互作用的精確預(yù)測(cè)，但是觀測(cè)這些物理過(guò)程成本高昂甚至?xí)龅诫y以觀測(cè)的問(wèn)題?，F(xiàn)在，工程師可以依靠多相流建模與仿真技術(shù)，深入了解并掌握提高效率、產(chǎn)量、安全性、可靠性的要素。

 

l  多相流模擬可以展現(xiàn)隨地點(diǎn)位置變化的流型狀態(tài)。例如，油氣井底的流型可能完全是單相液體，但隨著高度升高，氣泡逐漸生成，流型會(huì)過(guò)渡到多相狀態(tài)。因此在此類物理過(guò)程中，在不同的地點(diǎn)位置需要設(shè)置不同的多相流模型。

 

l  多相流模擬比單相流模擬的難度更高。完整描述多相流需要求解每一相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程以及各相之間的相互作用。由于物理現(xiàn)象的多樣性和多種流型同時(shí)存在的可能性，各相之間的合理模擬變得至關(guān)重要。

 

 

油氣井底部可能完全充滿液體，但在上升過(guò)程中，壓力下降，由于溶解氣體析出，流型將過(guò)渡到氣泡流。油氣井仿真需要多種多相流模型精確的模擬不同井深處的特殊流型。

 

自由表面流

 

自由表面流包括兩種或更多種不混溶的流體，每種流體被假定為在大部分流域具有連續(xù)性特征。每種流體有明顯可識(shí)別的流動(dòng)區(qū)域，這些區(qū)域的形狀和位置會(huì)隨時(shí)間變化。這些流動(dòng)區(qū)域比較大，在VOF模型中，可以被多個(gè)網(wǎng)格單元覆蓋，并求解各相之間交界面的形狀和位置。

 

l  應(yīng)用包括：船舶在水中的運(yùn)動(dòng)、潰壩、燃料箱晃動(dòng)、分層流、段塞流（大氣泡穿過(guò)管道中的液體）和噴墨打印機(jī)噴嘴處的液滴破裂等。

 

l  VOF模型使用方法：使用VOF方法，單個(gè)固定的網(wǎng)格覆蓋了整個(gè)流域，以此計(jì)算每一相的運(yùn)動(dòng)、局部體積分?jǐn)?shù)以及各相之間交界面的形狀。在任一空間點(diǎn)，只存在一種流體相，且每個(gè)位置只有一個(gè)速度場(chǎng)，因此，通常只需要解決一種速度場(chǎng)。但是，在沿交界面的速度差較大的情況下，求解兩個(gè)單獨(dú)的速度場(chǎng)可以提高計(jì)算的魯棒性和準(zhǔn)確性。

 

多種不同的界面跟蹤方法已被開發(fā)，每種方法都對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算準(zhǔn)確度、計(jì)算速度和數(shù)值魯棒性。

 

 

離散相流

 

在離散多相流中，存在一個(gè)連續(xù)相和一個(gè)或多個(gè)離散相。

 

離散相由許多小的離散液滴、氣泡或固體顆粒組成，分布在整個(gè)連續(xù)相中。通常，這些顆粒的尺寸比流域小很多，并且通常小于單元格尺寸。

 

太多的粒子數(shù)導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算出單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此會(huì)采用歐拉法和拉格朗日法，這是兩種最常見(jiàn)的用于此類離散相粒子系統(tǒng)計(jì)算的模擬方法。

 

 

歐拉模型

 

歐拉方法將流體-粒子系統(tǒng)描述為混合連續(xù)相并求解每一相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程。

 

l  液滴、氣泡、粒子的軌跡不單獨(dú)計(jì)算。

l  運(yùn)動(dòng)方程包括求解相之間拖曳力和離散多相流系統(tǒng)中發(fā)生的其他相關(guān)作用力。

l  計(jì)算結(jié)果通常包括每一相的本地速度、溫度和體積分?jǐn)?shù)。

l  交界面形狀不被單獨(dú)計(jì)算。

l  歐拉多相流模型有幾種變體：在各相之間的速度差相對(duì)較小的情況下，通?？梢?strong>僅求解一個(gè)混合物運(yùn)動(dòng)方程（而不是每一相的運(yùn)動(dòng)方程）來(lái)簡(jiǎn)化模型。模型中可以包含氣泡或液滴的破裂和聚并，計(jì)算其尺寸分布。對(duì)于液體或氣體中的固體顆粒，歐拉-顆粒模型可以計(jì)算粒子碰撞、摩擦和堆積密度的影響。

 

 

拉格朗日模型

 

拉格朗日粒子跟蹤方法可計(jì)算出單個(gè)顆粒、顆粒包、液滴或氣泡在連續(xù)相中的運(yùn)動(dòng)軌跡線。它也被稱為離散相模型（DPM）。

 

l  在實(shí)踐中，此方法適用于當(dāng)顆粒或液滴體積占比較小的情景——通常少于10％。

l  如果粒子總數(shù)太大而無(wú)法計(jì)算，可以只計(jì)算具有統(tǒng)計(jì)顯著的顆粒包來(lái)簡(jiǎn)化模型。

l  顆粒對(duì)連續(xù)相的影響可以計(jì)算評(píng)估（反之亦然）。

l  質(zhì)量輸運(yùn)效應(yīng)，例如：蒸發(fā)和冷凝以及、化學(xué)反應(yīng)——燃燒等也可以計(jì)算模擬。

 

 

顆粒流

 

密集離散相模型（DDPM）和離散元素模型（DEM）用于模擬顆粒的流動(dòng)。

 

 

穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真

 

 

多相流計(jì)算可以是穩(wěn)態(tài)的，也可以是瞬態(tài)的。

 

穩(wěn)態(tài)計(jì)算適合最終結(jié)果與初始條件無(wú)關(guān)、并且各相入口邊界差異較大的物理過(guò)程。通常將其他多相流物理現(xiàn)象建模為與時(shí)間有關(guān)的物理過(guò)程。由于需要求解額外的方程式，并且做瞬態(tài)模擬，多相流模擬計(jì)算量非常大。ANSYS CFD提供了高效的并行計(jì)算方法，從而使多相流模型計(jì)算保持在合理的時(shí)間范圍內(nèi)。

 

2.多相流仿真的展望與應(yīng)用

 

即使當(dāng)今多相流仿真功能已經(jīng)十分強(qiáng)大，但是工程師仍在努力推進(jìn)多相流仿真的邊界。

 

他們將融入并模擬更多的物理模型：物化反應(yīng)、運(yùn)動(dòng)物體、高速、尺寸變化、相變和熱交換，并解決更大規(guī)模物理系統(tǒng)的問(wèn)題。例如，一家能源生產(chǎn)商對(duì)油水重力分離器進(jìn)行了模擬，網(wǎng)格總數(shù)超過(guò)10億個(gè)單元。

 

 

除了石油和天然氣，化工、電力、汽車、航空航天和海工裝備等工業(yè)領(lǐng)域也在更多地應(yīng)用多相流模擬。

 

例如，泳裝生產(chǎn)廠商Speedo應(yīng)用多相流模擬優(yōu)化護(hù)目鏡設(shè)計(jì)。相比于游泳者體型，液滴尺寸非常小，護(hù)目鏡模擬需要高精度網(wǎng)格捕捉液滴作用力。水膜厚度至少需要10個(gè)網(wǎng)格單元解析計(jì)算，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)格總數(shù)急劇增加。

 

Speedo應(yīng)用多相流模擬設(shè)計(jì)高性能泳鏡，

由Speedo提供。

 

多相流仿真案例分享：全自動(dòng)洗碗機(jī)

 

為了優(yōu)化全自動(dòng)洗碗機(jī)的能量使用效率和用水量，工程師運(yùn)用多相流和多物理場(chǎng)模擬多種流型變化：從旋轉(zhuǎn)臂上的噴嘴噴出的射流、射流飛濺在餐具上形成水膜、液膜或水滴從餐具上滑落以及旋轉(zhuǎn)臂下的積水過(guò)程。

他們使用ANSYS Fluent的拉格朗日方法模擬了水噴射流以及液滴從旋轉(zhuǎn)噴射臂到餐具的完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

 

l  拉格朗日液膜模型準(zhǔn)確模擬了噴射水流沖擊餐具形成薄膜的過(guò)程，并可計(jì)算薄膜厚度、覆蓋率以及其受噴射臂設(shè)計(jì)因子的影響。

 

l  VOF模型用于模擬重力引起的流動(dòng)以及液膜和液滴滑落到洗碗機(jī)底部積水池的過(guò)程。

 

l  蒸發(fā)和冷凝模型模擬了干燥過(guò)程。

 

全自動(dòng)洗碗機(jī)的多相流模擬只是其完整的多物理場(chǎng)系統(tǒng)仿真的一部分，完整仿真流程還包括：ANSYS SpaceClaim快速創(chuàng)建初始模型和多種替代設(shè)計(jì)模型；ANSYS Mechanical進(jìn)行線性和非線性仿真，以流致振動(dòng)、噪音和疲勞性能為目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；ANSYS Electronics and Systems提供電機(jī)、控制顯示和傳感器相關(guān)解決方案。

 

全自動(dòng)洗碗機(jī)的瞬態(tài)多相流仿真需要多種不同的模擬功能：噴霧、液膜、體積分?jǐn)?shù)、相變等。