歐拉多相流仿真的案例
Simcenter | STAR-CCM+ 解決歐拉多相流仿真不收斂
編者薦語：
Simcenter? 軟件的獨特之處在于它將系統仿真、3D CAE 和測試集于一身，可幫助您在早期和整個產品生命周期內預測所
歐拉多相流求解是出了名的難收斂，但事實上有許多參數可以用來調節以解決收斂性問題，下面是一些典型的參數推薦值：
1. 由于相間相互作用增加了求解器的復雜性，歐拉多相計算所需的解算器下松弛因子(URF)小于單相計算中使用的松弛因子(URF)。一組典型的下松弛因子可能是：
壓力和體積分數：0.1
速度、湍流和溫度：0.3
其他：0.5
用戶可以自行微調這些參數，以獲得最優收斂性。如果有必要的話，可以降低一個數量級。上述的這些松弛因子都是ORF（Overall Relaxation factors），對于相耦合速度、體積分數等等這些的ORF是ERF（Explicit Relaxation Factor）和IRF（Implicit Relaxation Factor）的乘積。一般來說減少ERF來降低ORF。
2. 對于AMG求解器，壓力使用F循環，其他使用V循環。將AMG求解器對壓力和體積分數的收斂容差設定在1.0e-4。默認情況下最大循環數為30個，但如果需要可以增加。
3.
展開 分配器多相流仿真——歐拉模型和VOF
原方案出現分配不均情況，因此需要通過仿真的手段改善分配。涉及到委托公司機密，下面只以原方案進行分析。并分別對兩相流中VOF模型和歐拉模型進行區別。先看下效果圖
二、模型和網格
模型見下左圖，部分網格見下右圖。
三、輸入條件
入口速度為1.29m/s；出口為pressure-outlet，氣是第一相，液氣體積比為0.072
四、求解
4.1 歐拉模型
首先采用歐拉模型進行求解。
先計算19000步(晚上計算的)，再將修改液氣比為0.18(表示突然涌進一團液體)，再計算了3000步。
發現：氣態能夠較快收斂，液態需要計算一段時間后質量才能守恒(這個案例是600步左右)。見下面的殘差圖和收斂圖。
以及report中的進出口誤差計算。
最后這張是說明歐拉方程在運行一段時間后質量收斂的示意圖。質量偏差是e-6級別。
4.2 VOF模型
接下來是VOF模型。一開始是瞬態計算，按照前面輸入條件計算了3000步，再修改液氣比計算，繼續瞬態計算了3300步，發現出口流量未變化。于是改為問題，之后質量才守恒。
五、小結
因此在采用歐拉或者VOF仿真的時候，需要認真了解他們的原理和使用范圍，并且時刻了解各方程的收斂情況。
如，關于VOF的適用范圍：
某網站對VOF的討論http://muchong.com/html/201511/9632177.html
VOF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體積分數來模擬兩種或三種不能混合的流體。典型的應用包括預測射流破碎、流體中大泡的運動、決堤后水流動和氣液界面的穩態和 瞬態處理。
展開 FLUENT多相流案例之五：基于歐拉模型的二維均勻流化床仿真 ￥299
Fluent軟件的歐拉模型為研究含復雜相間遷移的固體顆粒流動提供了重要的建模工具。盡管歐拉模型對相關物理進行了嚴格的數學描述，但模型中使用的阻力定律在本質上仍然是半經驗的。因此，正確地預測顆粒床由于界面阻力和物體力之間的平衡而處于懸浮狀態的臨界或最小流態化條件是至關重要的。本算例的以UDF的形式定義該關系式，有兩個DEFINE_EXCHANGE_PROPERTY函數，僅列出部分截圖。
流化過程動畫
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FLUENT多相流案例之六：基于歐拉模型并考慮臭氧分解反應的流化床氣/固兩相流仿真 ￥99
本算例為仿真流化床中臭氧分解的瞬態過程。流體是臭氧和空氣的混合物，而固體是由直徑為87.75微米的沙粒組成。采用UDF定義流化過程的阻力和化學反應速率，其中流化過程的阻力表達式與FLUENT多相流案例之五：基于歐拉模型的二維均勻流化床仿真中一致。
而化學反應速度定義的UDF截圖如下：
臭氧分布結果
臭氧速度云圖
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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 通用流體仿真軟件VirtualFlow 2023：高效易用的多相流仿真平臺（免費試用）
</p><p><strong> </strong></p><p><strong>求解：計算穩定高效，在多相流及復雜湍流方面有突出優勢</strong></p><p>? 多尺度多相流模型：適用于不同尺度問題、不同流型下的兩相流和多相流計算，可處理界面追蹤、系綜平均、拉格朗日顆粒追蹤等問題。高精度界面追蹤，采用Level-Set方法在計算兩相表面張力時更為精確。</p><p>? 豐富的相變模型：提供包括直接相變模型和基于經驗公式的相變模型，且所有模型均有相關驗證支持，用戶可針對實際工況進行選用。</p><p>? 復雜流體模型：內置了粘塑性模型，包含賓漢流體、剪切稀化和觸變性；粘彈性模型，包含Oldroyd-B 流體模型、Giesekus流體模型和PTT 流體模型，可滿足非牛頓流體的計算需求；水合物模型，包括：生成模型、變異模型(輕碳至甲烷)、水合物形成中的釋熱模型、流變模型、分解模型、固體水合物融化模型。</p><p> </p><p><strong>后處理：快速呈現結果，分析樣式豐富多樣</strong></p><p>? 支持多種常規分析：如云圖、矢量圖、自定義區域、切片、等值面、流線。</p><p>? 實時在線監控：支持求解后的離線后處理分析，以及求解過程中的在線后處理監控。</p><p>? 同時支持輸出ParaView等第三方結果格式。
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 Abaqus歐拉-拉格朗日耦合CEL模型仿真案例講解 ￥50
Abaqus歐拉-拉格朗日耦合CEL模型仿真案例講解
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（下）
翻譯：趙亞 上海安世亞太CFD高級應用工程師
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
本文共計1320字，閱讀時間預計5分鐘
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 多相流模擬仿真在核電領域的應用及展望
多相流現象廣泛存在于核反應堆的各個系統和設備中，如冷卻劑的多相流動、燃料元件的傳熱、蒸汽發生器的汽水分離等。準確模擬和分析這些多相流現象，對于核反應堆的設計、優化、安全分析以及事故預防和處理具有重要意義。多相流模型作為一種有效的工具，能夠對復雜的多相流動和傳熱過程進行數值模擬和預測，在核電領域得到了廣泛的應用和深入的研究。
二、多相流模型簡介
（一）歐拉-歐拉體系
將每一相都視為連續介質，適用于相間相互作用強烈，顆粒尺寸小、濃度高的情況。例如在氣液兩相的鼓泡塔反應器中，氣體以氣泡的形式大量分散在液體中，此時可以將氣液兩相都視為連續介質，因為氣泡之間相互交錯，液體也充滿整個空間。曳力是相間動量傳遞的主要方式，模型通過曳力項來耦合各相的動量方程。常用的曳力模型有 Schiller - Naumann 模型等，其曳力系數會根據流體的相對速度、顆粒形狀等因素進行計算，用于描述氣體和液體在運動過程中相互阻礙、帶動的力。
廣泛應用于氣液兩相流動，如沸騰、噴霧干燥等過程。在噴霧干燥中，液滴在熱氣流中蒸發干燥，此時氣液兩相的相互作用對干燥效果和產品粒徑分布有重要影響，歐拉 - 歐拉模型可以模擬氣液兩相的速度場、溫度場和濃度場，為優化噴霧干燥工藝提供依據。
（二）歐拉-拉格朗日體系
流體（連續相）采用歐拉方法處理，通過在固定的空間網格上求解流體的連續性方程、動量方程和能量方程，得到流體的速度、壓力和溫度等宏觀場量。離散相（如顆粒、液滴）采用拉格朗日方法處理，以顆粒為計算單元，跟蹤每個顆粒的運動軌跡，計算顆粒的位置、速度、溫度等隨時間的變化。
離散相與連續相之間通過源項進行耦合。可以精確地獲取每個離散相粒子的運動信息，包括其在空間中的位置、速度、加速度等，這對于研究離散相的分布、碰撞和聚集等現象非常有利。
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 計算流體力學--多相流仿真專題
有關凝固?熔化仿真的討論在這一章就要結束了。現在不僅能模擬液體的凝固及固體的熔化等過程，就是包括氣相在內的氣液固三湘流的模擬，也正在成為現實可能。這樣的軟件就可以適用于各種各樣的計算模擬對象。
來源：MSC軟件
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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聯系我們：021-58403100
本文共計1785字，閱讀時間預計6分鐘
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 “撒尿地磚”Abaqus CEL仿真，學習使用VFT來定義歐拉材料分布
下面使用Abaqus的CEL方法來模擬松動地磚下的水受到壓力噴出的現象，首先我會演示一下如何使用VFT工具來定義一個離散場，并拿它來控制歐拉材料在歐拉網格里面的初始分布，從而完成該流固耦合分析的水域建模。
首先，模型包括四塊地磚、大地、鞋子、歐拉部件和水（參考體），將歐拉部件中水可能流過的區域進行局部網格加密，并通過菜單欄的Tools-Discrete Field-Volume Fraction Tool來定義一個離散場：首先選擇歐拉區域，然后選擇水的參考體，這時VFT對話框會跳出來。
你可以將這個離散場命名為water，也可以在此生成節點或單元集合，方便后面施加邊界條件。當參考體的形狀復雜時，在Accuracy這塊，如果歐拉區域網格劃的很密，就用默認或者low選項，否則生成離散場會很費時間。
點擊OK，Abaqus就會根據歐拉區域里每個單元被參考體占據的體積除以該單元體積，計算出一個介于0和1之間的分數值，這些單元與其分數值的集合就構成了一個離散場，在預定義場里面可以直接引用用來控制水域的初始位置。
這樣我們就定義好了地磚下面的水層，這個流固耦合分析案例中最關鍵的一步就介紹到這，下面是仿真結果。
水層被地磚下表面的壓力擠出的過程如下：
流場的速度矢量分布：
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