翻譯：趙亞  上海安世亞太流體應用工程師

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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械、熱和化學相互作用的精確預測，但是觀測這些物理過程成本高昂甚至會遇到難以觀測的問題。現在，工程師可以依靠多相流建模與仿真技術，深入了解并掌握提高效率、產量、安全性、可靠性的要素。

■ 多相流模擬可以展現隨地點位置變化的流型狀態。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，流型會過渡到多相狀態。因此在此類物理過程中，在不同的地點位置需要設置不同的多相流模型。

■ 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量、動量和能量方程以及各相之間的相互作用。由于物理現象的多樣性和多種流型同時存在的可能性，各相之間的合理模擬變得至關重要。

▲ 油氣井底部可能完全充滿液體，但在上升過程中，壓力下降，由于溶解氣體析出，流型將過渡到氣泡流。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性特征。每種流體有明顯可識別的流動區域，這些區域的形狀和位置會隨時間變化。這些流動區域比較大，在VOF模型中，可以被多個網格單元覆蓋，并求解各相之間交界面的形狀和位置。

■ 應用包括：船舶在水中的運動、潰壩、燃料箱晃動、分層流、段塞流（大氣泡穿過管道中的液體）和噴墨打印機噴嘴處的液滴破裂等。

■ VOF模型使用方法：使用VOF方法，單個固定的網格覆蓋了整個流域，以此計算每一相的運動、局部體積分數以及各相之間交界面的形狀。在任一空間點，只存在一種流體相，且每個位置只有一個速度場，因此，通常只需要解決一種速度場。但是，在沿交界面的速度差較大的情況下，求解兩個單獨的速度場可以提高計算的魯棒性和準確性。

多種不同的界面跟蹤方法已被開發，每種方法都對應不同的計算準確度、計算速度和數值魯棒性。

離散相流

在離散多相流中，存在一個連續相和一個或多個離散相。

離散相由許多小的離散液滴、氣泡或固體顆粒組成，分布在整個連續相中。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。

太多的粒子數導致無法計算出單個粒子的運動狀態，因此會采用歐拉法和拉格朗日法，這是兩種最常見的用于此類離散相粒子系統計算的模擬方法。

歐拉模型

歐拉方法將流體-粒子系統描述為混合連續相并求解每一相的質量、動量和能量方程。

■ 液滴、氣泡、粒子的軌跡不單獨計算。

■ 運動方程包括求解相之間拖曳力和離散多相流系統中發生的其他相關作用力。

■ 計算結果通常包括每一相的本地速度、溫度和體積分數。

■ 交界面形狀不被單獨計算。

■ 歐拉多相流模型有幾種變體：在各相之間的速度差相對較小的情況下，通常可以僅求解一個混合物運動方程（而不是每一相的運動方程）來簡化模型。模型中可以包含氣泡或液滴的破裂和聚并，計算其尺寸分布。對于液體或氣體中的固體顆粒，歐拉-顆粒模型可以計算粒子碰撞、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算出單個顆粒、顆粒包、液滴或氣泡在連續相中的運動軌跡線。它也被稱為離散相模型（DPM）。

■ 在實踐中，此方法適用于當顆粒或液滴體積占比較小的情景——通常少于10％。

■ 如果粒子總數太大而無法計算，可以只計算具有統計顯著的顆粒包來簡化模型。

■ 顆粒對連續相的影響可以計算評估（反之亦然）。

■ 質量輸運效應，例如：蒸發和冷凝以及、化學反應——燃燒等也可以計算模擬。

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。

穩態和瞬態仿真

多相流計算可以是穩態的，也可以是瞬態的。

穩態計算適合最終結果與初始條件無關、并且各相入口邊界差異較大的物理過程。通常將其他多相流物理現象建模為與時間有關的物理過程。由于需要求解額外的方程式，并且做瞬態模擬，多相流模擬計算量非常大。ANSYS CFD提供了高效的并行計算方法，從而使多相流模型計算保持在合理的時間范圍內。

下周我們會就多相流仿真的案例及行業解決方案進行分享及分析，記得持續關注【上海安世亞太】微信公眾號哦~