VOF的案例
FLUENT多相流算法專題之一：VOF算法發展歷程，原理及應用 ￥299
VOF算法的Fluent應用案例
一般來說VOF主要解決多相流中氣液邊界變形問題，當邊界隨著時間和空間的變形是所面臨的問題的重要影響因素時，一般VOF算法都是最佳的選擇。以前的帖子中，應用FLUENT的VOF算法解決實際工程問題的具體案例有五個，即沸騰，液滴，潰壩以及液晃和波浪問題。
FLUENT多相流案例之二：基于VOF模型的水平薄膜沸騰仿真
FLUENT多相流案例之三：基于VOF模型的墨水噴嘴液滴形成過程仿真
FLUENT多相流案例之四：基于VOF模型的大壩潰壩仿真
ANSYS流固耦合分析之四：儲液罐液體晃動效應即重力波的兩個特征
VOF算法的浮體入水過程的數值模擬
總的來說，VOF算法重點解決多相流中的邊界運動問題。例如最典型的瑞利-泰勒不穩定問題，即重力作用下，一種流體侵入另一種流體的進程中產生的湍流及隨之發生的界面上的湍流混合過程。FLUENT中的VOF算法可以較為精細的仿真這一物理過程。
Fluent中使用VOF算法的注意事項
盡量選擇四邊形或六面體網格
F函數的插值方法有三種，其中Geo-Reconstruct是目前最精確的界面跟蹤方法，是對大多數瞬態VOF計算所推薦使用的方法。 Donor-Acceptor和Euler-Explicit 則為遇到模型存在大量扭曲網格，Geo- Reconstruct算法失效時的備選插值算法，但他們的計算精度會降低。
VOF模型主相定義不存在特殊要求，但多相流體中存在可壓縮流體，則可壓縮流體只能定義為主相，并且可壓縮流體只能考慮一種。
展開 【多相流】VOF模型概述（5）
VOF模型可以通過求解單一的動量方程并跟蹤區域內每個流體的體積分數來模擬兩種或兩種以上的非混溶流體。典型的應用包括射流破裂的預測、大氣泡在液體中的運動、潰壩后液體的運動，以及任何氣-液界面的穩態或瞬態跟蹤。
1 VOF模型的局限性
Fluent中的VOF模型有以下限制:
必須使用壓力基求解器，VOF模型不能用于密度基求解器；
所有的控制體積必須充滿單個流體相或相的組合，VOF模型不考慮沒有任何類型流體存在的空隙區域；
只有一種相可以被定義為可壓縮的理想氣體，在用戶自定義函數使用可壓縮流體沒有限制；
當使用VOF模型時，不能模擬沿流向周期性的流量(指定的質量流量或指定的壓降)；
二階隱式時步公式不能用于顯式VOF格式；
當DPM模型結合VOF模型跟蹤粒子時，無法選擇共享內存方法(離散相模型并行處理)，(注意，使用消息傳遞或混合方法可以使所有多相流模型與DPM模型兼容。)
在多面體網格上不能使用耦合的VOF模型；
VOF模型與非預混、部分預混和預混燃燒模型不兼容。
2 穩態和瞬態VOF計算
VOF在Fluent中通常用于瞬態計算，但如果你只關心穩態解，它是可以進行穩態計算的。只有當解不受初始條件的影響，且各相有明顯的流入邊界時，穩態VOF計算才有意義。例如，由于旋轉杯內自由表面的形狀取決于流體的初始水平，這樣的問題必須用隨時間變化的公式來解決。另一方面，在有單獨進氣的頂部有空氣區域的通道中，水的流動可以用穩態公式求解。
VOF模型依賴于兩個或兩個以上的流體(或相)不相互滲透的事實。對于添加到模型中的每個額外的相，將引入一個變量:計算單元中該相的體積分數。在每個控制體中，所有相的體積分數之和為一。
展開 分配器多相流仿真——歐拉模型和VOF
3）只有一相是可壓縮的
4）周期流動（比質量流率或 比壓降）問題不能和VOF模型同時計算
5）組分混合和反應流動問題 不能和VOF模型同時計算
6）大渦模擬湍流模型不能用 于VOF模型
7）二階隱式的time- stepping不能用于VOF模型
8）VOF模型不能用于無粘 流
9）壁面殼傳到模型不能和 VOF模型同時計算
十一、多相流模型-VOF
<p> 我們介紹一下多相流模型的一種-VOF模型的適用場合及使用方法。通過VOF實例觀察兩相界面分布，了解VOF模型使用過程中的注意點。</p><p> </p><p> </p><p class="ql-align-center"><strong>1. VOF模型簡介</strong></p><p> 該模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區域的每一流體的容積比來模擬兩種或三種不能混合的流體。<strong>典型的應用包括流體噴射、流體中大泡運動、流體在大壩壩口的流動、氣液界面的穩態和瞬態處理等。一般而言VOF主要適用于非穩態的多相流模型，僅對某些特定問題的多相流模型的穩態問題能夠適用。</strong></p><p> <strong>VOF方法適用于計算空氣和水這樣不能互相摻混的流體流動，對于分層流和活塞流，最方便的就是選擇VOF模型</strong>。需要注意的是，對于湍流模型的設置，VOF不能用于無粘流，也不能用大渦模擬。</p><p><br></p><p class="ql-align-center"><strong>2. 工況描述</strong></p><p> 我們使用VOF模型模擬打印機噴墨問題，如圖1所示，墨水從進口inlet邊界流入墨水腔(ink chamber)，經過縮放管后流入空氣腔(air chamber)。模型參數如圖2所示。</p><p> 在時間零點，墨水腔中充滿墨水，而空氣腔中則充滿空氣。假設兩種流體都處于靜止狀態。啟動噴射后，入口邊界處的墨水速度從0增加到3.58 m/s。由于尺寸較小，ANSYS Fluent使用雙精度。空氣為第一相，墨水（將與液態水的性質建模）為第二相。
展開 
積鼎CFD界面追蹤方法Level Set與VOF在氣泡流動模擬的效果比較
常用的界面捕捉模型包括LS（Level Set）方法和VOF（Volume of Fluid）方法。</p><p>多相流模擬軟件，首先就是針對此類有邊界面的問題。目前主流的商業CFD軟件大多采用VOF方法，而定位于多相流仿真的國產通用流體仿真軟件Virtualflow采用Level Set方法進行界面流仿真。</p><p><br></p><h2>1、Level Set 方法</h2><p>Level Set方法是基于空間曲面的隱函數表達。</p><p>在LS方法中，每一個時間步都要重新初始化LS方程，在時刻tn 求得的LS函數與控制方程一起求解得到下一時刻的LS函數，這些初始化的過程中總伴隨著界面位置的移動，會造成質量損失，導致質量不守恒。而改善初始化步驟來矯正質量守恒又會增加計算時間，提升計算成本。同時，因為LS方法采用的是光滑的距離函數來捕捉相界面，各個物理量可以在界面上光滑連續地過渡，且相界面的捕捉效果好。</p><p><br></p><h2>2、VOF方法</h2><p>在VOF方法中，用來劃分兩相界面的函數是體積分數α，表示的是單個網格內的液體體積與這個網格總體積的比值。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://bexp.135editor.com/files/users/1445/14451217/202406/cWUkgG9x_DPHz.png?
展開 Fluent VOF波浪造波問題（加凸臺）
本案例利用Fluent中的VOF模型，對帶結構物的階梯水槽波浪問題進行了仿真計算。
該案例比較簡單，屬于Fluent VOF波浪造波問題的一個延伸，模擬近岸區域的橋墩受波浪運動時的受力仿真問題。
1 前處理設置
采用scdm軟件對幾何結構進行劃分。
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體的方法對體網格進行劃分。
2 計算設置
2.1 導入網格
通過Switch to Solution導入網格進行求解計算。
2.2 General設置
選擇瞬態計算，并設置重力加速度
2.3 材料定義
此處添加材料為water作為海水。
2.4 模型設置
采用 k-w SST 湍流模型，并開啟VOF多相流模型。VOF模型設置如下，開啟open channel flow和open channel wave bc模型。
2.5 邊界條件
簡單模擬造波問題，一端定義為速度進口，一端定義為壓力出口，其他部分皆為壁面。
首先設置速度進口的相關參數，勾選Open Channel Wave BC。
根據模型具體尺寸，選擇自由液面的高度與海底高度。并 設置波浪的參數，浪高、浪寬與波浪模型。
然后對出口條件進行設置，打開open channel，設置自由液面與海底高度。
2.6 初始化設置
進行初始化設置，選擇初始化的方法。
3 后處理設置
通過mesh與contours添加后處理云圖。
4 橋墩受力云圖
導入波浪仿真動畫。
波浪云圖
表面壓力云圖
展開 Fluent VOF to DPM完整霧化模型 ￥3
因為在連續相液體變成霧滴之前，我們可以用網格來捕捉液體界面，這就是VOF方法；而霧化后，會形成大量的微小粒徑的霧滴，這些霧滴粒徑非常小，甚至達到微米級別，我們不能用更小尺寸的網格來捕捉霧滴，即使能捕捉，也需要巨大的網格量才可以，所以只能利用DPM離散相模型來表述霧滴。這樣霧化過程仿真就要通過兩種方法VOF+DPM來實現，在以前這兩種方法是割裂開來的，Fluent19.0版本，增加了一個轉換模型，使我們可以完整的實現霧化全過程模擬，得到如下圖所示的效果：
VOF to DPM完整霧化圖
展開 Fluent VOF倒酒
本案例利用Fluent中的VOF模型，對倒酒問題進行了仿真計算。該案例比較簡單，但通過該案例可延伸到水箱注水、平臺泄水，洪水淹沒地下空間等較為復雜的仿真問題。
1 前處理設置
采用了Fluent meshing進行前處理，多面體與核心六面體的方法對體網格進行劃分。
2 計算設置
2.1 導入網格
通過Switch to Solution導入網格進行求解計算。
2.2 General設置
選擇瞬態計算，并設置重力加速度
2.3 邊界條件
因模擬倒酒問題，因此在網格圖片中杯口的小圓孔被定義為速度進口，剩余部分為壓力出口，其他部分皆為壁面。
速度入口的速度設置為0.2m/s，并點擊Phase，選擇phase-2，將體積分數設置為1。
2.4 材料定義
此處添加材料為water，因為酒的材料參數不是很確定。
2.5 模型設置
采用k-w SST 湍流模型，并開啟VOF多相流模型。VOF模型設置如下，并開啟表面張力，水的表面張力系數定義為常數0.072。
2.6 初始化設置
進行初始化，相2的體積分數設置為0。
3 后處理設置
通過mesh與contours添加后處理云圖。
展開 Fluent VOF+重疊網格 圓柱入水（一）
本案例利用Fluent中的VOF模型和重疊網格技術，對水平圓柱以恒定速度入水問題進行了仿真計算。
以miao實驗為例，展開砰擊系數的計算。該案例僅作簡單介紹，后續可以運用到小球自由落體入水、船舶出入水、水上飛機出入水等多種案例的計算。
1 workbench 設置
1.1 選擇以下三個模塊進行流體計算
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
依據相關實驗進行幾何劃分，具體尺寸如下圖。
3 FLUENT 設置
3.1 General設置
由于是瞬態態求解問題，此處設置為穩態計算模式。并開啟相關的重力選項。
3.2 網格導入
由于運用了重疊網格技術，因此導入方式有所不同。
首先導入背景網格，其次導入前景網格，前景網格導入方式如下圖。
3.3 材料定義
本案例模擬圓柱入水，因此選擇的材料為水。
3.4 模型設置
并開啟VOF多相流模型。VOF模型設置如下，并開啟表面張力，水的表面張力系數定義為常數0.072。
湍流模型選擇k-e模型。
3.5 圓柱運動設置
對前景網格進行運動設置，采用網格運動的方式，本案例以實驗中的0.5124m/s展開計算。具體的輸入如下圖所示。
3.6 邊界條件設置
此處進行邊界條件設置，上邊界設置為壓力出口，下邊界設置為速度進口。前景網格外邊界設置為overset邊界。
3.7 初始化設置
首先進行初始化設置，此處采用標準初始化，相2的體積分數設置為1。
然后進行局部初始化設置，局部初始化前對水域進行網格標記，標記方式如下圖。
標記成功后進行局部初始化的設置。
3.8 計算設置
進行初始化后，設置時間步長0.0001，計算步5000步。
展開 Fluent VOF罐體晃動（一）
本案例利用Fluent中的VOF模型，對罐體晃動問題進行了仿真計算。
在罐體晃動問題中，一般需要定義區域速度。目前常用的定義方法有UDF與Fluent命名表達式兩種。本文主要對Flunet命名表達式的方法進行仿真計算。采用該方法的優點是可以將罐體晃動進行參數化計算，這一部分以后再講。
1 FLUENT設置
1.1 導入網格
網格由SpaceClaim軟件生成的結構化網格。
1.2 General設置
由于是晃動問題，此處設置為瞬態計算
1.3 材料定義
因案例只進行簡單模擬，此處添加材料為water。實際情況中要根據具體材料來設置。
1.4 模型設置
采用k-w SST 湍流模型，并開啟VOF多相流模型。VOF模型設置如下，并開啟表面張力，水的表面張力系數定義為常數0.072。
1.5 網格標記
本案例中，水與空氣在罐體中各占一半。因此將罐體下半部分網格進行標記。
1.6 初始化設置
進行初始化，相2的體積分數設置為0。
進行局部初始化，將罐體賦予水相。
進行后處理云圖設置，若如圖所示，可發現存在多相情況，即初始化過程正確，可進一步計算，否則重新進行初始化。
2 定義命名表達式
進行位移振幅設置，命名為Am，定義為0.2m。
設置振動頻率，命名為f，定義為5Hz。
通過上述公式進行速度幅值計算：
對晃動速度進行計算：
3 罐體運動設置
雙擊打開流體域設置，打開Mesh Motion功能，由于罐體在x方向上晃動，因此選擇x方向，點擊vel，將晃動速度賦予罐體內部流體。
4 晃動結果
對罐體晃動情況進行監測，液相分布情況如下。
展開 Fluent VOF波浪造波問題
wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p><strong>2.4 模型設置</strong></p><p>采用<em>k-w SST</em> 湍流模型，并開啟VOF多相流模型。VOF模型設置如下，開啟open channel flow和open channel wave bc模型。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/6OCfD1OjTxrDbaMo9sOPyv9eULjl47L4Rd2pdB12DC3RTfIRhdbia14syDts3oPolSb5yOHJHiaGXo9XSVWLJ2ew/640?wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p><strong>2.5 邊界條件</strong></p><p>簡單模擬造波問題，一端定義為速度進口，一端定義為壓力出口，其他部分皆為壁面。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/6OCfD1OjTxrDbaMo9sOPyv9eULjl47L4friaqibqrYdzxcue4qfTia9gYuNv9g2yQkib1SwnMNIbpA6xFATlcCRQSQ/640?wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p>首先設置速度進口的相關參數，勾選Open Channel Wave BC。
展開 
基于六面體網格和VOF的城市管道井噴瞬態模擬
圖3 六面體網格
模擬計算在Fluent中完成，兩相流模型采用VOF進行處理，能夠較好的模擬自由液面的形變。湍流模型采用RNG k-epsilon湍流模型。該模擬中相關設置如圖4所示，該問題的主要復雜點在于網格的處理和Fluent中設置和參數的選擇。例如邊界層處理以及六面體網格采用合適的算法，fluent中算法參數的選擇，合理的邊界條件設置。
圖4 網格和Fluent相關設置
如圖5所示，初始狀態采用patch功能進行處理，可以看出，初始狀態水相和液相分明。模擬過程中，氣泡的運動可見。
可以看出，采用VOF處理水汽兩相流具有良好的優勢，能夠模擬出界面的變化，運動。同時采用Fluent meshing繪制網格具有簡單快捷的優點。
展開 VOF模型在射流中應用 ￥20
VOF模型在射流中應用
水從噴水孔射出，自由射流，空間介質為空氣；
開始為水柱，之后破碎成水滴
邊界條件
inlet
velocity inlet
phase 設置為mixture
volume fraction 為 1
out
pressure outlet
phase 設置為mixture
volume fraction 為0
leftright
symmetry
模型設置
多相流模型選擇 VOF
定義空氣為基本相
定義水為第二相
后處理（略）
展開 CFD仿真VOF界面捕捉穩定性研究：數值擴散與表面張力偽速度的影響及優化
界面穩定性問題分析</strong></p><p>在VOF方法中，界面穩定性是多相流模擬的核心問題之一。界面捕捉的穩定性直接影響模擬結果的物理準確性，尤其在處理復雜界面形變、表面張力驅動流動以及高密度比流體時，數值誤差可能導致非物理現象。以下是界面穩定性中兩個主要問題的分析：<strong>數值擴散</strong>和<strong>表面張力偽速度</strong>。</p><p> <strong>1.1 數值擴散</strong></p><p><strong>成因</strong>：</p><p>數值擴散是由于VOF方法中體積分數的對流項離散化誤差引起的，尤其在使用低階格式（如一階迎風格式）時更為顯著。</p><p>在界面捕捉過程中，界面形狀會隨著流動逐漸擴散，導致界面模糊，失去物理意義。</p><p>當網格分辨率不足時，界面重構（如PLIC方法）也可能引入額外的擴散誤差。</p><p><strong>影響</strong>：</p><p><strong>界面厚度增加</strong>：數值擴散會導致界面從一個清晰的薄層變成模糊的過渡區域。</p><p><strong>物理現象失真</strong>：例如在液滴動力學中，數值擴散可能導致液滴體積損失或形狀畸變。</p><p><strong>多相流模擬精度下降</strong>：尤其在小尺度問題（如微流體）中，數值擴散會顯著影響界面動力學行為。
展開 Fluent VOF仿真實例-水箱注水
選擇VOF模型。
VOF多相流模型，需要設置相。工況中是空氣和水，Fluent中默認是空氣，需要將水從材料數據庫中調出來。當調出水后，設置第一相為水，如下圖所示。同樣操作，設置第二相為空氣，命名為air，材料選擇空氣。
設置表面張力模型，選擇CSF模型。
設置操作條件，主要設置重力和Specified Operating Density。
5、邊界條件設置。由于多相流模型中存在多相，因此邊界條件需要分別對多相進行設置。本工況中含有水和空氣兩項，因此，邊界需要分別對混合（mixture）、水和空氣進行設置。
5.1 進口Inlet，對于mixture相，邊界類型設置為Mass-Flow Inlet質量流量入口。
進口Inlet，對于water相，設置進口水質量流量為0.2 kg/s。
進口Inlet，對于water相，設置進口水質量流量為0 kg/s，即進口都是水。
5.2 出口Outlet，對于mixture相，邊界類型設置為pressure-outlet壓力出口。
出口Outlet，對于air相，設置Backflow Volume Fraction為1，即水不反流。
5.3 水箱上端開口ambient的邊界設置，和outlet邊界一摸一樣設置。
6、求解設置，選擇PISO，其余保留默認設置。
松弛因子設置如下。
7、初始化，開始時刻水箱是空箱，即充滿是空氣。
8、求解，設置時間步長0.01s，計算3.5秒。然后點擊計算。
9、后處理
3.5s的水狀態。
3.5s內注水動畫如下：
作者：曾社銓
來源：iCFD
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