多相流仿真中應(yīng)用頻率最高的是自由表面流的仿真。它適用于諸如氣液二相流，液液二相流，氣液固三相流等各種各樣需要模擬的流動。由仿真得到的界面運動，也可以與可視化實驗結(jié)果加以比較而得到驗證。

     自由表面流的仿真可以分為界面捕捉法（Interface capturing  Method）和界面追蹤法（Interface Tracking Method）兩大類。如圖2.1所示那樣，所謂界面捕捉法，就是把表示界面的函數(shù)，讓其隨流體遷移流動，從而來模擬界面運動。界面捕捉法含有MAC法（Marker and Cell），LS法（Level Set）和VOF法（Volume of Fluid）等多種方法。

     另一方面，界面追蹤法是根據(jù)界面元素的變形，來分析模擬界面的運動，如圖2.2所示。界面追蹤法有ALE法（Arbitrary Lagrangian and Eulerian）等等。此外，粒子法（Particle Method）也可認為是一種界面追蹤法。

圖2.1  界面捕捉法

圖2.2  界面追蹤法

　     兩者比較而言，界面追蹤法能夠高精度地模擬界面的運動。然而，在使用界面追蹤法時，隨著界面的變動，必須重新生成元素。如果界面的變動過大，就可能生成扭曲的元素，使計算變得不穩(wěn)定。當然這也可以通過增加元素分割的數(shù)目來避免，這樣一來，就會進一步增加計算的工作量。

　      現(xiàn)在，大多數(shù)流體的仿真軟件都采用VOF法來模擬自由表面流。其理由列舉如下：首先，在1970年代，由著名的美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（即Los Alamos National Laboratory，該所于2013年迎來了成立七十周年的慶典）開發(fā)了一個程序代碼為SOLA-VOF的軟件，并把它公開了，從而使VOF法得到了廣泛的應(yīng)用和普及。另外，運用VOF法，不必重新生成元素，計算程序也不復(fù)雜，即使界面的變動很大，計算還能穩(wěn)定進行直到問題解算完成。

　     那么，這一次也來介紹一個仿真模擬的具體案例吧。這里要說的是氣提式水泵，它可以用來在水井和溫泉吸水，在凈化水池抽水等等。我們用屬于界面捕捉法的MARS法（Multi-interface Advection and Reconstruction Solver）對其自由表面流進行模擬。

      氣提式水泵的設(shè)計已有200年以上的歷史。如圖2.3 所示，對安裝在水面下的抽水管的下部注入空氣，管內(nèi)的水與空氣混合，比重變小而被往上推起。這就是氣提式水泵抽水的原理。由于構(gòu)造簡單，少有故障，至今在各個領(lǐng)域得到廣泛的使用。其抽水量雖然可以根據(jù)空氣的流入量，浸水深度，揚程等用經(jīng)驗公式來計算，有時也要根據(jù)不同目的而考慮是否要進一步充氣。因此必須掌握抽水管內(nèi)氣液二相流的流型（請參照圖2.4）。如果可能的話，可以通過可視化實驗來觀察流型。但有時也會受各種條件的限制而無法做實驗。這時對流體進行仿真模擬來掌握流動型態(tài)就變得十分有效了。

圖2.3 氣提式水泵

圖2.4 管內(nèi)氣液二相流的流型

圖2.5 用來作仿真模擬的水泵

      這次模擬的水泵，如圖2.5所示，是由抽水管（5厘米見方）和送氣管（2厘米見方）構(gòu)成。送氣管的前端，兩兩錯列地設(shè)置了四個空氣的流入口。水泵浸入水下1米深處，要把水汲取到比水面高出10厘米的容器里去。每個空氣流入口，每隔0.1秒注入流量為25L/min的空氣。呈現(xiàn)在圖2.6里的是模擬的結(jié)果。圖中以等值面來表示，使氣液界面可視化?；煊锌諝獾乃怀槿∩蟻?，成水花狀注入到容器里去，重現(xiàn)了水泵的工作狀態(tài)。圖2.7所示是抽水管中心斷面的氣液分布圖。藍色部分表示水，白色的為空氣。根據(jù)此圖，抽水管中的流動可以判斷為塞狀流（slag flow），您的看法呢？

圖2.6 等值面圖

圖2.7 氣液分布圖