VOF多相流模擬的案例
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(shí)例觀察兩相界面分布，了解VOF模型使用過程中的注意點(diǎn)。</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(dú)的動量方程和處理穿過區(qū)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(yīng)用包括流體噴射、流體中大泡運(yùn)動、流體在大壩壩口的流動、氣液界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)處理等。一般而言VOF主要適用于非穩(wěn)態(tài)的多相流模型，僅對某些特定問題的多相流模型的穩(wěn)態(tài)問題能夠適用。</strong></p><p> <strong>VOF方法適用于計(jì)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(shè)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(jī)噴墨問題，如圖1所示，墨水從進(jìn)口inlet邊界流入墨水腔(ink chamber)，經(jīng)過縮放管后流入空氣腔(air chamber)。模型參數(shù)如圖2所示。</p><p> 在時間零點(diǎn)，墨水腔中充滿墨水，而空氣腔中則充滿空氣。假設(shè)兩種流體都處于靜止?fàn)顟B(tài)。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(tài)水的性質(zhì)建模）為第二相。
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(qū)域內(nèi)每個流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬兩種或兩種以上的非混溶流體。典型的應(yīng)用包括射流破裂的預(yù)測、大氣泡在液體中的運(yùn)動、潰壩后液體的運(yùn)動，以及任何氣-液界面的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)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(qū)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(shù)使用可壓縮流體沒有限制；
當(dāng)使用VOF模型時，不能模擬沿流向周期性的流量(指定的質(zhì)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(dāng)DPM模型結(jié)合VOF模型跟蹤粒子時，無法選擇共享內(nèi)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(wǎng)格上不能使用耦合的VOF模型；
VOF模型與非預(yù)混、部分預(yù)混和預(yù)混燃燒模型不兼容。
2 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)VOF計(jì)算
VOF在Fluent中通常用于瞬態(tài)計(jì)算，但如果你只關(guān)心穩(wěn)態(tài)解，它是可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算的。只有當(dāng)解不受初始條件的影響，且各相有明顯的流入邊界時，穩(wěn)態(tài)VOF計(jì)算才有意義。例如，由于旋轉(zhuǎn)杯內(nèi)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(dú)進(jìn)氣的頂部有空氣區(qū)域的通道中，水的流動可以用穩(wěn)態(tài)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(shí)。對于添加到模型中的每個額外的相，將引入一個變量:計(jì)算單元中該相的體積分?jǐn)?shù)。在每個控制體中，所有相的體積分?jǐn)?shù)之和為一。
展開 【多相流】VOF模型的體積分?jǐn)?shù)（6）
3.5 Bounded Gradient Maximization (BGM)
在VOF模型中引入了BGM方案來獲得清晰的界面，與幾何重構(gòu)方案相比具有較好的優(yōu)勢。目前，該方案僅適用于穩(wěn)態(tài)求解器，不適用于瞬態(tài)問題。在BGM方案中，離散化以這樣一種方式發(fā)生，即通過使面值向向外推順風(fēng)值加權(quán)的程度最大化，從而使梯度的局部值最大化。
【多相流】VOF中的明渠流動（9）
利用VOF公式和明渠邊界條件，F(xiàn)luent可以對明渠流動(如河流、大壩和無邊界河流中的表面凸起結(jié)構(gòu))的影響進(jìn)行模擬。這些流動涉及在流動的流體和它上面的流體之間存在一個自由表面(一般是大氣)。在這種情況下，波的傳播和自由表面的行為變得重要。流體一般受重力和慣性的作用。這一特性主要適用于海洋應(yīng)用和通過排水系統(tǒng)的水流分析。明渠流動的特征受無量綱數(shù)弗勞德數(shù)控制，其定義為慣性力與靜水壓力之比。
其中，V是速度，g是重力加速度，y是長度尺度，在本例中，y是渠道底部到自由表面的距離。方程18.36中的分母是波的傳播速度。由固定觀察者所看到的波速被定義為：
根據(jù)弗勞德數(shù)，明渠流動可分為以下三類:
1 上游邊界條件
對于明渠流動的上游邊界條件，有兩種選擇:
pressure inlet
mass flow rate
1.1 pressure inlet
入口處的總壓可以表示為：
1.2 mass flow rate
與明渠流動相關(guān)的每個相的質(zhì)量流量定義為：
1.3 Volume Fraction Specification
在明渠流動中，F(xiàn)luent根據(jù)邊界條件對話框中指定的輸入?yún)?shù)在內(nèi)部計(jì)算體積分?jǐn)?shù)，因此該選項(xiàng)已被禁用。對于亞臨界進(jìn)口流動(Fr < 1)，F(xiàn)luent利用鄰近單元的數(shù)值重建邊界上的體積分?jǐn)?shù)值。這可以通過以下程序來完成:
使用單元值計(jì)算邊界處體積分?jǐn)?shù)的節(jié)點(diǎn)值。
使用內(nèi)插的節(jié)點(diǎn)值在邊界的每個面計(jì)算體積分?jǐn)?shù)。 對于超臨界進(jìn)口流動(Fr > 1)，邊界上的體積分?jǐn)?shù)值可以用自由表面距底部的固定高度來計(jì)算。
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【多相流】VOF的材料、動量和能量方程（7）
1.材料屬性
輸運(yùn)方程中出現(xiàn)的材料屬性是由每個控制體中各組分相的存在所決定的。例如，在兩相系統(tǒng)中，如果各相用下標(biāo)1和2表示，如果第二個相的體積分?jǐn)?shù)被跟蹤，則每個單元的密度為：
一般來說，對于n相系統(tǒng)，體積-分?jǐn)?shù)平均密度呈現(xiàn)如下形式:
所有其他性質(zhì)(例如粘度)都是這樣計(jì)算的。
2.動量方程
在整個域中求解單動量方程，得到的速度場在各個相之間共享。如下所示的動量方程取決于物性ρ和μ的所有相的體積分?jǐn)?shù)。
共享場近似的局限性是，在相間存在較大速度差的情況下，計(jì)算界面附近的速度的準(zhǔn)確性會受到不利影響。注意，如果粘度比超過1000，這可能會導(dǎo)致收斂困難。(CICSAM)方法適用于相間粘度比高的流動，解決了收斂性差的問題。
3.能量方程
能量方程也在各相之間共享，如下所示：
每個相的h_q是基于該相的比熱和共享溫度。物性ρ、k_eff(有效導(dǎo)熱系數(shù))和μ_eff(有效粘度)是通過對相的體積平均計(jì)算出來的。源項(xiàng)s_h包含輻射以及其他體積熱源的貢獻(xiàn)。 與速度場一樣，在相之間存在較大溫差的情況下，界面附近溫度的準(zhǔn)確性受到限制。在物性變化幾個數(shù)量級的情況下也會出現(xiàn)問題。例如，如果一個模型包括液態(tài)金屬與空氣結(jié)合，材料的熱導(dǎo)率可能相差多達(dá)4個數(shù)量級。這種物性的大差異導(dǎo)致方程集具有各向異性系數(shù)，這又會導(dǎo)致收斂和精度受到限制。
4.附加標(biāo)量方程
根據(jù)你的問題的定義，可能會涉及到額外的標(biāo)量方程。在湍流的情況下，求解一組輸運(yùn)方程，湍流變量(如k和e或雷諾應(yīng)力)由整個場中的相共享。
展開 多相流——VOF模型計(jì)算氣泡上升過程
應(yīng)用VOF模型對氣泡在自由液面的上升過程做了簡單的數(shù)值分析，此分析過程為2維，實(shí)際計(jì)算中可以計(jì)算3維運(yùn)動，氣泡在自由液面中的運(yùn)動大多數(shù)為螺旋上升狀態(tài)，模擬時需要注意氣液兩相表面張力的設(shè)置，可以通過查資料獲得，時間步長的設(shè)置很重要，若設(shè)置不合適氣泡的形狀會在上升過程中失真。有朋友遇到此類數(shù)值分析的可以聯(lián)系我。
【多相流】VOF中的表面張力和附著力（8）
3 Jump Adhesion
與wall adhesion類似，在使用VOF模型時，也可以選擇跳躍附著力。這里，接觸角處理適用于多孔跳躍邊界的每一邊，假設(shè)兩邊的接觸角相同。因此，如果為多孔躍遷處的接觸角，則與多孔躍遷相鄰單元的表面法線為：
式中，和分別為與多孔跳躍垂直和相切的單位向量。 Fluent提供了兩種處理多孔跳躍邊界的跳躍粘著力的方法: Constrained Two-Sided Adhesion Treatment和Forced Two-Sided Adhesion
Constrained Two-Sided Adhesion Treatment
受約束的兩面附著力處理選項(xiàng)對附著力處理施加約束。在這里，接觸角處理將僅應(yīng)用于與非多孔流體區(qū)相鄰的多孔跳變的一側(cè)。因此，接觸角處理將不會應(yīng)用于多孔介質(zhì)區(qū)附近的多孔跳躍側(cè)。如果約束的兩面附著力處理失效，則對多孔跳躍體的所有面進(jìn)行接觸角處理。
Forced Two-Sided Adhesion:
Fluent允許對流體區(qū)域使用強(qiáng)制的雙邊接觸角處理，而不受任何強(qiáng)加的約束。
展開 分配器多相流仿真——?dú)W拉模型和VOF
3）只有一相是可壓縮的
4）周期流動（比質(zhì)量流率或 比壓降）問題不能和VOF模型同時計(jì)算
5）組分混合和反應(yīng)流動問題 不能和VOF模型同時計(jì)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(jì)算
FLUENT多相流案例之四：基于VOF模型的大壩潰壩仿真 ￥9
仿真過程中，需要依據(jù)最大庫朗數(shù)要求計(jì)算出最大時間步長，不然很難得到想要的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)楸舅憷諗坷щy，VOF模型的界面形狀變化需要精細(xì)的數(shù)值計(jì)算。
初始時刻
50倍時間步長
最終時刻
FLUENT多相流算法專題之一：VOF算法發(fā)展歷程，原理及應(yīng)用 ￥299
VOF算法的Fluent應(yīng)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(dāng)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(yīng)用FLUENT的VOF算法解決實(shí)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(yīng)即重力波的兩個特征
VOF算法的浮體入水過程的數(shù)值模擬
總的來說，VOF算法重點(diǎn)解決多相流中的邊界運(yùn)動問題。例如最典型的瑞利-泰勒不穩(wěn)定問題，即重力作用下，一種流體侵入另一種流體的進(jìn)程中產(chǎn)生的湍流及隨之發(fā)生的界面上的湍流混合過程。FLUENT中的VOF算法可以較為精細(xì)的仿真這一物理過程。
Fluent中使用VOF算法的注意事項(xiàng)
盡量選擇四邊形或六面體網(wǎng)格
F函數(shù)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(shù)瞬態(tài)VOF計(jì)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(wǎng)格，Geo- Reconstruct算法失效時的備選插值算法，但他們的計(jì)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 FLUENT多相流案例之二：基于VOF模型的水平薄膜沸騰仿真 ￥499
本算例采用VOF多相流模型，UDF定義初始邊界溫度分布，壁面溫度變化以及傳熱傳質(zhì)過程中的源項(xiàng)。
2s時刻的液體體積分?jǐn)?shù)云圖
UDF函數(shù)共有5個，DEFINE_ADJUST，DEFINE_INIT，以及3個DEFINE_SOURCE，僅列出一個
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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 ￥499
本算例采用VOF模型來預(yù)測液滴的形狀。為了捕捉出墨的毛細(xì)效應(yīng)，需要考慮表面張力和潤濕角的大小，但不考慮重力影響。噴嘴內(nèi)部的表面是中性可濕潤的，而噴嘴孔周圍則是不可濕潤的。仿真域由兩個部分組成:墨腔和氣腔，初始時刻，墨水充滿噴嘴，而其余區(qū)域充滿了空氣。假定這兩種液體都處于靜止?fàn)顟B(tài)。為了啟動噴墨，在進(jìn)口邊界處的墨水流速突然從0上升到3.58 m/s，并根據(jù)余弦定律下降，10微秒后，速度回到零。總共仿真時間為30微秒，即，是最初脈沖持續(xù)時間的三倍。由于是軸對稱問題，采用二維幾何。
20ms時刻
UDF定義速度邊界隨時間變化
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FLUENT官方動網(wǎng)格教程（1）：箱體墜入水中
（2）利用VOF多相流模型模擬剛體的浮動。
（3）動網(wǎng)格設(shè)置
（4）輸出TIFF格式文件制作動畫
（5）計(jì)算結(jié)果后處理
附件中包含輸入文件及計(jì)算結(jié)果文件。
Box to water.rar
VOF 模擬 射流jet ￥9.9
模擬水滴射流飛濺
fluent cas 網(wǎng)格 和dat
VOF模擬 高壓空氣射流
高壓氣體在水中噴射的模擬
附件是兩種模型，都可以計(jì)算，并且可以看到水中沖擊波的傳播，空氣射流和速度。請各位看看有什么不妥，歡迎討論~~
airjet-model2.rar
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