多相流仿真的案例
多相流在仿真中的應用和展望（下）
翻譯：趙亞 上海安世亞太CFD高級應用工程師
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編者按
上周我們談到多相流的分類及仿真方法，如果大家記憶有些模糊的話，點此鏈接來回憶上篇內容吧！接下來作者會進行案例分析和行業解決方案解析，展示ANSYS在多相流仿真領域的運用。
多相流仿真展望
即使當今多相流仿真功能已經十分強大，但是工程師仍在努力推進多相流仿真的邊界。
他們將融入并模擬更多的物理模型：物化反應、運動物體、高速、尺寸變化、相變和熱交換，并解決更大規模物理系統的問題。例如，一家能源生產商對油水重力分離器進行了模擬，網格總數超過10億個單元。
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領域也在更多地應用多相流模擬。
例如，泳裝生產廠商Speedo應用多相流模擬優化護目鏡設計。相比于游泳者體型，液滴尺寸非常小，護目鏡模擬需要高精度網格捕捉液滴作用力。水膜厚度至少需要10個網格單元解析計算，進而導致網格總數急劇增加。
展開 探索國產多相流仿真技術應用，積鼎科技助力石油化工工程數字化交付
積鼎科技作為國產多相流仿真軟件的引領者，有幸受邀參會，并發表題為“國產多相流仿真軟件在石化領域的應用探索”的精彩報告。
在石油化工行業中，流體仿真計算流體力學軟件的應用早已成為不可或缺的一部分。從油氣勘探到油氣運輸，從設備設計到安全評估，多相流仿真軟件以其強大的模擬能力和精確的計算結果，主要用于機理研究、工藝優化、工藝放大預測和驗證等過程，為石化行業的各個環節提供了有力的技術支持。
積鼎多相流仿真解決方案，采用多種軟件應對不同的多相流流態和流動過程，可提供基于VirtualFlow、DEMms、LMFD等多套軟件組成的石化行業多相流仿真的完整解決方案。
VirtualFlow軟件，基于簡便易用的笛卡爾網格高效并行技術、豐富的多相流模型和先進的相變模型，可模擬單相、多相、多組分、復雜流體的流動、傳質、傳熱和化學反應過程，提供一體化的多相流仿真解決方案。
DEMms軟件，可仿真計算非球形和變形等復雜顆粒，以及多相傳遞反應耦合等復雜過程，支持CPU和GPU等多種計算資源的高效利用，可實現萬核以上大規模異構并行計算，計算顆粒數可超十億級，對應的物理顆粒數超萬億級。
LMFD軟件，基于LBM格子玻爾茲曼方法開發，結合自研的耦合算法和計算模塊，利用GPU實現大規模問題的高效計算，可處理包括單相、氣液兩相、氣固兩相以及氣液固三相等復雜多相流問題。
1. 油氣勘探
在油氣勘探和生產過程中，面對復雜的地質環境和多變的流體特性，CFD軟件通過模擬地下油氣的流動狀態，可以幫助工程師準確預測油氣藏的分布和開采能力，優化勘探方案和效率。
例如，采用積鼎VirtualFlow混合流模型+原油/非牛頓流體模型模擬油井區域多相流動，通過捕捉段塞流、分析設備磨損、預測深海石油泄露和管道堵塞等問題，為油井區域的安全生產和優化提供重要依據。
2.
展開 多相流在仿真中的應用和展望
全自動洗碗機的多相流模擬只是其完整的多物理場系統仿真的一部分，完整仿真流程還包括：ANSYS SpaceClaim快速創建初始模型和多種替代設計模型；ANSYS Mechanical進行線性和非線性仿真，以流致振動、噪音和疲勞性能為目標，優化結構設計；ANSYS Electronics and Systems提供電機、控制顯示和傳感器相關解決方案。
全自動洗碗機的瞬態多相流仿真需要多種不同的模擬功能：噴霧、液膜、體積分數、相變等。
多相流在仿真中的應用和展望（上）
翻譯：趙亞 上海安世亞太流體應用工程師
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編者按
作者分析了多相流的分類、仿真方法及未來發展方向，深入剖析了真實的產品案例和行業解決方案，并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解決產品設計在多相流仿真中遇到的挑戰，為企業的產品設計和生產節約成本。
無論是設計高超聲速運載工具的除冰系統、進行血液酶測試，還是輸送和熔化稀有金屬粉末化合物以進行增材制造，或是為偏遠地區配制一套過濾系統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用中，每一種仿真都需要不同的建模方法。
40多年來，ANSYS開發了可以精確模擬多相流的仿真工具，已經被廣泛運用在各個工業領域，以預測產品性能。
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。
展開 
設計仿真 | 高壓反應釜深度機理多相流仿真案例
長沙有色冶金設計研究院有限公司（簡稱長沙有色院）為了應對以上技術挑戰，使用海克斯康工業軟件Cradle CFD對高壓反應釜進行了深入研究，通過仿真建立了冶煉高壓反應釜實時液位監測及優化控制系統，最終成果應用于網絡協同智能制造平臺。
Part.01
海克斯康解決方案
高壓反應釜深度機理多相流仿真
構建高壓反應釜深度機理/大數據融合的智慧大模型，是解決這一問題的有效路徑，成果基于500萬網格劃分，首次構建了采用自由液面的高壓反應釜內部氣、固、液三相耦合多場動態模型，提供了精細化管控感知數據來源，達成科研促產目的，平臺累計創效1000余萬元。
本次計算采用了海克斯康旗下的Cradle CFD軟件，該軟件具有強大的前處理功能，針對復雜模型，能夠快速劃分結構化網格為核心的多面體網格；同時具備強大的多相流功能，適應于氣、固、液等復雜多相流仿真；并且具備強大的DEM功能，對于固體顆粒物在反應釜內顆粒動力學仿真有較好的效果，同時可以后期應用于礦石篩選，輸送等仿真；并具備高魯棒性，強大后處理，易上手等特點，適合于本單位。
Part.02
關于長沙有色院
長沙有色冶金設計研究院有限公司（簡稱長沙有色院）于1953年正式成立，國家高新技術企業，是我國最早成立的大型綜合性設計研究單位之一，隸屬于中國鋁業集團有限公司，為中鋁國際工程股份有限公司的全資子公司。
展開 COMSOL多相流仿真方法
多相流通常包括氣-液、液-液、液-固、氣-固、氣-液-液、氣-液-固或氣-液-液-固混合物的流動。本系列文章主要討論氣-液和液-液混合物的建模與仿真，并簡單介紹固-氣和固-液混合物仿真。此外，我們還將介紹 COMSOL 軟件的CFD 模塊和微流體模塊中的一些案例模型和仿真策略。
不同尺度的多相流仿真
通過數值仿真可以研究不同尺度的多相流。最小的尺度在幾分之一微米左右，而最大的尺度可達幾米或幾十米。不同的尺度甚至可以相差大約 8 個數量級，最大的尺度可能比最小的尺度大 1 億倍。這表明在整個尺度范圍內，使用同一個力學模型在數值上無法解析從最小尺度到最大尺度的多相流。因此，多相流仿真通常被劃分為不同的尺度。
在較小的尺度上，可以對相邊界的形狀進行詳細建模；例如，氣泡與液體之間的氣液界面的形狀。在 COMSOL 軟件中，這種模型稱為分離多相流模型，通常使用表面追蹤法來描述此類模型。
在較大的尺度上，如果必須詳細描述相邊界，那么模型方程根本無法求解。反之，我們可以使用場，例如體積分數，來描述不同的相，而在所謂的分散多相流模型方程中，例如表面張力、浮力和相邊界之間的傳遞等相間效應被看作源和匯。
分離多相流模型詳細描述了相邊界，而分散多相流模型只考慮分散在連續相中的相的體積分數。
上圖顯示了分離和分散多相流模型的主要區別。在上述兩個示例中，均使用函數 Φ 來描述氣相和液相。但是，在分離多相流模型中，不同相之間相互排斥，并存在一個清晰的相邊界，在此邊界上相場函數 Φ 發生突變。除了追蹤相邊界的位置以外，相場函數沒有任何物理意義。
在分散多相流模型中，函數 Φ 描述了氣相（分散相）和液相（連續相）的局部平均體積分數。
展開 流體仿真軟件VirtualFlow：Level-set在多相流模擬中的應用
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。
展開 案例分享 | 利用MSC Cradle分散多相流的功能進行氣液二相流的仿真
仿真目的
船舶用的污水處理裝置要求超小型和高效化。
作為裝置內部高性能的一環，如下圖所示，散氣管的曝氣量的均衡很重要。
本研究中，利用MSC Cradle，通過對分散多相流仿真功能進行氣液二相流仿真，對曝氣量進行考察和驗證，并進行散氣管形狀的優化設計。
標準參數
構造圖
大晃船舶污水處理裝置 SBH系列
仿真算例
圖1是在一定的流入條件下，從曝氣管出來的噴出空氣量分布的仿真結果。感覺上離空氣源近的地方空氣吹出的量會多一些，而一旦當空氣充滿后，出現了與想象相反的現象。如下圖2所示，散氣管內的流速分布受到空氣噴出孔徑和配置的影響，改變了噴出后空氣擴展分布。因為仿真結果與實驗結構基本吻合，在此基礎上利用仿真進行散氣管形狀的優化設計。
圖1
圖2
小結
利用MSC Cradle可以不用進行實際的曝氣池實驗，而通過仿真來設計船用污水處理裝置內的散氣管。根據仿真結果的指導設計并制作了設備，設計出的設備能夠均勻的曝氣，再一次證明了MSC Cradle可以作為開發設計階段的重要工具。
展開 計算流體力學--多相流仿真專題
多相流仿真中應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，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，使計算變得不穩定。當然這也可以通過增加元素分割的數目來避免，這樣一來，就會進一步增加計算的工作量。
現在，大多數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法得到了廣泛的應用和普及。
展開 旋轉設備CFD仿真培訓課程（Ansys Fluent） ￥18
您將掌握用于處理移動和變形邊界的動網格技術，用于模擬復雜液體和顆粒懸浮液的歐拉及離散相多相流仿真，以及在真實案例研究中應用的湍流模型（如 k-epsilon、k-omega RNG）、共軛傳熱和非穩態（瞬態）分析。通過逐步教程，您將學習如何使用尖端的 ANSYS 后處理工具提取、解釋和驗證仿真數據，包括速度、壓力、溫度、湍流強度、空化區域和混合時間等。
課程案例研究側重于仿真驅動的設計改進、效率提升、操作問題排查以及針對化工、能源、汽車和制造業等領域的工藝優化。您將學習定義邊界條件、網格敏感性研究、算法選擇以及用于高級定制的用戶自定義函數（UDF）實現等最佳實踐。豐富的視頻講座、工作流程演示和實時指導將確保您能夠理解并立即將所學技能應用于研究或專業工作中。
完成本課程后，您將具備對旋轉機械進行建模、分析和優化的能力，能夠提供切實可行的工程見解，并支持多學科工程環境中的創新和技術開發項目。本課程非常適合希望提升其 CFD 專業知識和在旋轉設備應用中基于仿真做出決策的工程師、研究人員、技術教育者和專業人士。
展開 第四屆全國過程模擬與仿真大會召開，積鼎科技相伴大會4年成長
第四屆全國過程模擬與仿真學術會議于2024年11月29日-12月2日在廣州圓滿召開。積鼎科技，作為自主流體仿真軟件研發的領航企業，與大會相伴四年，自首屆以來一直積極參與其中，見證了大會從初創到逐漸壯大的全過程。每一次參會，積鼎科技都帶來其在流體仿真CFD領域的最新成果，與業界同仁共同探討和推動計算機模擬與仿真技術的發展。
本次活動，積鼎牽頭組織“工業應用及自主軟件研發分論壇”，并受邀作“國產多相流仿真軟件VirtualFlow在過程工業的應用探索”主旨報告。
積鼎科技專家介紹了其自主研發的通用型流體仿真軟件VirtualFlow的最新進展，并展示在過程工程領域的應用能力。“VirtualFlow是積鼎科技的核心產品之一，以其獨特的浸沒表面技術（IST）、豐富的多相流模型、湍流模型、復雜流體模型以及先進的相變模型，在能源電力、石油天然氣、過程工程、航空航天、水務水利等多個領域展現出強大的應用潛力。其開放的用戶自定義接口（UDF）基于C++語言，支持功能無限擴展，同時支持完整編譯和動態調用，為用戶提供了極大的靈活性和適用性。”
積鼎科技還分享了公司與中國科學院過程工程研究所的緊密合作，就雙方的前沿技術研究成果展開介紹。積鼎展示了能量最小多尺度EMMS曳力模型與VirtualFlow軟件的耦合和驗證結果，并計劃持續改進EMMS曳力模型的用戶體驗，提升其在實際項目中的計算精度和應用效率。同時，VirtualFlow可適配高性能格子玻爾茲曼多相流仿真軟件LMFD求解器，提供基于LBM方法和GPU加速的氣固兩相流仿真能力。
會議期間，積鼎展示了在過程工程領域，包括非牛頓流體仿真、顆粒流動仿真及化工反應釜等應用場景。
展開 
免費領視頻 | 油氣分離系統的設計和運行挑戰：仿真技術如何發揮作用
仿真有助于解決與油氣分離器的設計和運行相關的挑戰。
觀看我們的研討會，了解工程仿真如何幫助運營商和設備制造商改進分離器設計、提高運行效率和應對環境性能挑戰。
基于實例來了解如何預測復雜的多相流行為
實例和案例分析將說明工程仿真如何通過提供可靠方法幫助理解和預測復雜的多物理場行為，支持石油和天然氣行業的數字化轉型。基于自己豐富的經驗，主講人將詳細闡述 Norton Straw 的工程專家團隊如何部署 Simcenter STAR-CCM+ 以了解復雜的多相流行為。精確的仿真多相流態有助于工程師優化油氣分離器的設計。應對一系列油氣分離挑戰時，它可以提供指導性的操作。
了解計算流體力學 (CFD) 為何已成為業界公認的領導和驗證設計以及指導操作的方法。
您將了解：應用適當的 CFD 技術進行精確的多相流仿真
相較于物理測試，工程師可以使用 CFD 預測復雜的多相流行為，并深刻洞察分離系統的物理特性。深刻了解之后，他們可以做出明智的設計決策，并提出優化操作的相關建議。但是，他們的仿真需要精確捕捉多相分離系統中的各種多相流態和多相流行為。
此次演講使用 Norton Straw 專業工程團隊開展的工作作為案例研究，以此說明：
分離系統設計和運行的各種挑戰
如何應對多相流仿真的復雜性
仿真對于油氣分離過程的洞見和價值
David Fielding
運營總監, Norton Straw
戴維是一名特許工程師，在石油和天然氣行業擁有超過 15 年的工作經驗。他專注于研究如何將先進的仿真技術應用于各種設計和運行挑戰。他曾應用仿真來優化設計、解決性能問題并驗證設備是否滿足性能和環境規范，為許多運營商和分離技術公司提供技術支持。
展開 CFD仿真與測試協同創新,構建“仿真 + 實測”閉環
<p>多相流技術作為研究復雜流體問題的關鍵，在能源、化工、航空航天等眾多關鍵領域發揮著重要作用。積鼎科技專注于多相流領域，憑借自主研發的多相流仿真軟件以及高精度測試設備，成功構建了“仿真 + 實測” 的閉環解決方案，助力企業在從設計優化到生產驗證的整個過程中實現突破，為行業提供國產自主的軟硬件一體化服務，推動行業邁向新高度。</p><h1 class="ql-align-center"><strong>1、軟件實力：多相流仿真的國產引領者</strong></h1><p>積鼎科技的核心流體仿真軟件VirtualFlow，憑借豐富的功能和優秀的性能，被成功應用于眾多行業，贏得了諸多行業頭部用戶的信賴與支持。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/ba1a8cd59df112aa01a254945b6fd4d3.png" height="406" width="720"></p><p><strong>1.多相流模型全覆蓋</strong></p><p><span style="color: rgb(77, 77, 77);">VirtualFlow支持氣液、氣固、液固等多種多相流態的模擬，內置VOF、LevelSet 等先進的界面追蹤方法，能夠精準地捕捉不同相之間的界面變化。同時，結合冷凝、沸騰等相變模型，軟件可以對復雜的流動行為進行高精度的預測。無論是化工的氣液反應過程，還是航空航天領域中燃料的多相流動，都能提供可靠的模擬結果。</span></p><p><strong>2. 高效并行與快速求解</strong></p><p>VirtualFlow2024版求解器性能得到了顯著提升，相較于之前提升了100%。
展開 氣動仿真助推渦軸發動機型號研制全面加速
圖5 RAN-S與LES仿真結果對比
多相流仿真
渦軸發動機在復雜環境使用中，其真實流動還包括氣/固、氣/液、氣/液/固等多相流動。典型的包括粒子分離器沙石分離、發動機進氣結冰、吞水以及滑油潤滑系統內部的空氣/滑油等多相流。動研所的研究經驗表明：高保真或高精度的多相流仿真工作在加速設計方案迭代、改進和優化結構、確保試驗驗證的成功等方面作用巨大。
粒子分離器氣/固兩相流仿真
粒子分離器的主要功能是避免沙石被渦軸發動機吸入，以減少對發動機葉片的撞擊、磨蝕和對渦輪冷卻通道的堵塞，避免發動機性能的衰減和故障的發生，在渦軸發動機上被廣泛應用。目前針對粒子分離器的穩態三維流動問題，動研所通過采用基于拉格朗日粒子追蹤原理的仿真方法，開展了大量的氣固兩相耦合仿真，模擬了粒子分離器內的分叉流動現象（如圖6所示），并結合試驗進行了沙石模型的修正，提高了仿真精度，其分離效率的仿真預測精度已在5%以內，基本滿足了工程需要。在此基礎上，動研所已實現了粗沙分離效率不低于90%、細沙分離效率不低于80%、總壓損失小于2.5%的粒子分離器的研發與驗證，為渦軸發動機的安全運轉提供了切實保障。
圖6 粒子分離器內部沙粒運動軌跡仿真
防/結冰設計的氣/液及液固相變仿真
結冰作為航空器上的常見現象，給飛行器的安全帶來了極大隱患。
展開 自主CAE | 基于PERA SIM Fluid的汽車油箱加注過程仿真（含免費培訓）
圖15 不同時刻切面上的壓力云圖
4.結論
本文基于安世亞太自主研發的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid，對汽車油箱瞬態加注過程進行了分析，實現了從網格劃分、物性參數設置、邊界條件設置、求解設置以及計算和后處理的完整仿真流程，驗證了PERA SIM Fluid強大的前后處理功能以及求解器在多相流仿真領域穩健快速的特性。
作者：安世亞太高級流體工程師 崔亮
