在當今的工業領域，多相流現象無處不在，從石油開采中的油氣水三相流動到日常生活中簡單的水流注水過程，都涉及到復雜的多相流行為。準確地模擬和分析這些多相流的流動行為，對于優化工程設計、提高生產效率以及保障安全運行具有至關重要的意義。

然而，傳統的單相流模擬方法顯然無法滿足多相流問題的需求，因為多相流涉及到不同相之間的復雜界面相互作用、相間傳熱傳質以及拓撲變化等現象。幸運的是，Level-set方法作為一種有效的界面捕捉技術，為多相流的數值模擬提供了一種有力的工具，而上海積鼎信息科技有限公司自主研發的VirtualFlow軟件，正是基于這種先進方法的專業多相流仿真軟件。

1       Level-set模型介紹

1.1       基本原理

界面追蹤方法通常用于兩種或多種不互溶流體的自由界面流動（可以是液-液或者氣-液體系），流體之間由清晰的界面分隔，并且界面隨時間變化。界面追蹤/捕捉方法是一種通過追蹤某個場的變化來確定和追蹤界面的方法。該方法對整個計算域求解一個輸運方程，然后把兩相流體視作具有變化物性的單一流體。這些物性的變化通過相標記函數x(x,t)的輸運來考慮

1.2       特點與優勢

 （1）界面捕捉能力強 ，Level-set方法能夠自然地處理復雜的界面變形和拓撲變化，如液滴的分裂、合并以及氣泡的形成和破裂等，無需對界面進行顯式的參數化處理，避免了在處理復雜界面問題時可能出現的網格扭曲和計算困難等問題。

 （2）物理量計算準確，通過光滑的Level-set函數及其導數，可以較為準確地計算界面處的幾何量，如法向量、曲率等，從而能夠更精確地模擬表面張力等物理效應，更好地反映多相流的實際物理過程。

2       水瓶注水VirtualFlow算例設置

2.1       軟件概述

VirtualFlow是由積鼎公司自主研發的一款專業的多相流仿真軟件，它基于Level-set方法等多種先進的數值算法，能夠對多尺度、多流體的層流和湍流氣液兩相流動進行精確的數值模擬，在工業領域的多相流問題研究和工程應用中得到了廣泛認可和應用。

2.2       算例設置步驟

（1）模型建立

根據具體的水平注水場景，構建相應的計算模型，包括水瓶的幾何形狀、注水口的位置和尺寸等。在VirtualFlow中，可以通過導入CAD模型或使用其內置的建模工具來創建三維模型，并將模型設置為流體域或者固體域，隨后對模型進行網格劃分。

圖 3.1導入幾何，將模型設置為流體域

（2）網格劃分

網格劃分的質量對模擬結果的精度和計算效率有重要影響。在VirtualFlow中，可以采用IST進行網格劃分。并通過縮減網格塊，減少網格量。

圖 3.2網格設置及縮減網格塊

（3）物理模型設置

VirtualFlow提供了豐富的物理模型用于求解不同類型的流動問題。由于本算例為二維模型，僅需要求解壓力、U速度、V速度即可；需要考慮重力作用的影響；對于水瓶注水這種不可壓縮的氣液兩相流動，可以選擇Level-set多相流模型。

圖 3.3設置求解方程、重力矢量及Level-set模型

（4）相屬性定義

指定水和空氣的物理屬性，如密度、粘度、表面張力系數等。在VirtualFlow中，可以從材料庫中選擇常見的流體材料，也可以根據實際需要自定義材料的屬性參數。準確的相屬性輸入有助于提高模擬結果的真實性。

圖 3.4設置相屬性，在物性庫中選擇Air及Water Liquid

 

（5）邊界條件設置

定義合理的邊界條件是保證模擬結果準確性的關鍵。對于水瓶注水問題，需要設置注水口的流入速度或流量邊界條件，以及水瓶出口的壓力邊界條件等，由于出入口在同一平面，需要先創建子邊界，隨后設置入口、出口邊界條件。

圖 3.5創建子邊界，并設置入口出口邊界條件

（6）初始條件設置

確定初始時刻流場的狀態，包括流體的初始速度、壓力分布以及Level-set函數的初始值等。在水瓶注水算例中，通過高級初始化功能實現以下條件：初始時刻水瓶內可以為空氣，注水口處具有一定速度的水流進入，此時Level-set函數在水瓶內部的初始值應根據流體的初始分布進行設置，以正確地標識出水和空氣的相界面位置。

圖 3.6編寫高級初始化文件，并編譯、初始化，完成整個高級初始化流程

（7）計算設置

本算例采用瞬態求解，模擬整個注水過程。根據計算模型的特點和精度要求，設置合適的求解器參數，如時間步長、收斂準則、松弛因子等。時間步長的選擇需要在計算精度和穩定性之間進行權衡，過小的時間步長會導致計算時間過長，而過大的時間步長可能會引起數值振蕩或計算發散；收斂準則則用于控制方程求解的精度，通常根據殘差的大小來判斷是否收斂。

圖 3.7設置時間步長及相關參數，方程參數可保持默認

（7）計算過程與結果輸出

在完成上述設置后，啟動計算過程，求解器將根據設定的邊界條件、初始條件和求解器參數，通過迭代計算逐步求解流場的演變過程。當計算達到設定的時間步數或滿足收斂條件時，計算結束，此時可以輸出相關的計算結果，包括二維或三維的流場分布圖、速度矢量圖、相界面演化圖等，以便對模擬結果進行可視化分析。

圖 3.8輸出流體密度云圖

3       工程應用

3.1       石油工程

在石油開采過程中，注水開采是一種常見的二次采油方法，通過向油藏中注入水來驅替原油，提高原油的采收率。Level-set方法可以用于模擬注水過程中的油水兩相流動，幫助工程師更好地理解油水在油藏孔隙介質中的滲流規律，預測注水波前的推進速度和形態，以及優化注水方案，提高注水效果和原油采收率。此外，在石油工程中還涉及到諸如油井井筒內的氣液兩相流動、油氣水三相分離等多相流問題，Level-set方法也可以為這些設備的設計和優化提供理論支持和技術指導。

圖 4.1臥式三相分離器模擬

3.2       水利工程

潰壩是一種常見的水利工程災害，當壩體突然破裂時，大量的水體快速下泄，會對下游地區造成嚴重的洪澇災害和人員傷亡。利用Level-set方法可以對潰壩過程中水流的演化過程進行模擬，包括壩體破裂后的流體運動、水面形狀的變化以及流體與河床、障礙物等邊界的相互作用等，從而為潰壩風險評估、洪水預警和防洪措施制定提供重要的依據。同時，在水利工程建設中的其他多相流問題，如水庫的水位調節、泄洪建筑物的水流流態分析、水利樞紐中的泥沙輸移等，Level-set方法也能夠發揮重要作用，幫助工程師優化工程設計，提高工程的安全性和運行效率。

圖 4.2溢洪道場景

圖 4.3潰壩場景

3.3       化工領域

在化工生產中，許多化學反應過程都涉及到多相流現象，如氣液反應、液液萃取、氣液固三相流化床反應等。Level-set方法可以用于模擬這些過程中的相間傳熱、傳質和化學反應等復雜現象，幫助研究人員深入理解反應過程的物理化學機制，優化反應器的結構和操作條件，提高反應效率和產品質量。例如，在液液萃取過程中，通過模擬兩相液體在萃取設備內的流動和混合情況，可以確定最佳的設備參數和操作參數，實現高效、節能的萃取分離過程。

圖 4.4攪拌反應釜場景

3.4       航空航天

在航空航天領域，Level-set方法可用于模擬發動機中的多相流現象，如燃油霧化過程。在發動機啟動和運行過程中，燃料和氧化劑以高速從噴管噴出，在燃燒室內形成復雜的氣液兩相流動和化學反應區域。此外還可以模擬管路注水、燃油系統油箱晃動等場景。

圖 4.5精細化求解霧化問題

圖 4.6機翼油箱晃動

3.5       交通運輸

以汽車油箱晃動為例，在車輛行駛過程中，油箱內的燃油會因車輛的顛簸、轉彎等運動而產生晃動，這不僅會影響車輛的操控性能和燃油供應系統的正常工作，還可能產生噪聲和振動等問題。利用Level-set方法可以對油箱內的燃油晃動過程進行模擬，分析燃油的液面變化、晃動頻率、流體動力學特性等，從而為油箱的設計優化、車輛的懸掛系統調整以及燃油供應系統的穩定性控制提供依據，提高車輛的行駛安全性和舒適性。

圖 4.7增加隔板對汽車油箱晃動的影響

4       結論

綜上所述，Level-set方法作為一種先進的多相流模擬技術，在各個工程領域都有著廣泛的應用前景，為解決實際工程中的多相流問題提供了有力的工具和支持，推動了相關領域的技術發展和創新。

作為一款國產自主的流體仿真軟件VirtualFlow，不僅具備先進的技術核心，還通過用戶友好的界面和靈活的功能設置，讓復雜的多相流模擬變得簡單易行。無論您是從事石油、水利、化工、航空航天還是交通運輸等領域的專業人士，VirtualFlow都能為您提供強大的技術支持，幫助您解決實際工程中的多相流問題，優化設計方案，提高生產效率，保障工程安全。