多相流工程的案例
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
近日，第二屆“石油化工工程數字化交付研討會暨煉油與化工設備選型技術交流會”在北京召開。本次研討會匯聚了來自中國石油、中國石化、中國海油等眾多行業巨頭的領導與專家，共同探討石油化工行業的數字化未來。
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。
展開 高性能格子多相流仿真軟件LMFD2. 0發布，實現集“求解器-前/后處理”于一體的大規模數值模擬
軟件案例界面
結語
LMFD2.0的發布為多相流數值模擬技術帶來了顯著的進步。憑借其強大的功能和用戶友好的設計，LMFD2.0將為科研人員和工程師提供更加高效和便捷的模擬工具，助力多相流研究和工程應用的深入發展。
【多相流】fluent中如何選擇多相流模型？（2）
計算流體力學的發展為進一步了解多相流的動力學特性提供了基礎。目前多相流數值計算主要有兩種方法:歐拉-拉格朗日法和歐拉-歐拉法。
01—
fluent中的多相流模型
在歐拉-歐拉方法中，不同的相在數學上被視為相互滲透的連續相。由于某一相的體積不能被其他相所占據，因此引入了相體積分數的概念。假設這些體積分數是空間和時間的連續函數，它們的和等于1。推導出各相的守恒方程，得到各相具有相似結構的方程組。這些方程通過提供從經驗獲得的本構關系而封閉，或者，在粒狀流動的情況下，通過動力學理論的應用而封閉。在ANSYS Fluent中，提供了三種歐拉多相流模型: volume of fluid (VOF) 模型, mixture模型, 和 Eulerian 模型。
VOF模型
VOF模型是一種應用于固定歐拉網格的表面跟蹤技術。VOF模型用于兩種或多種不混溶的流體，而流體之間的界面位置是我們感興趣的。在VOF模型中，流體共享一組動量方程，并且在整個域中跟蹤每個計算單元中每種流體的體積分數。VOF模型可應用于：
分層流動、自由表面流動、填充、晃動、大氣泡在液體中的運動、潰壩后液體的運動、射流破裂的預測(表面張力)以及任何液-氣界面的穩態或瞬態跟蹤。
Mixture模型
混合模型可用于兩種或兩種以上的相(流體或顆粒)。在歐拉模型中，相被視為相互滲透的連續體。
展開 【多相流】fluent中如何選擇多相流模型？（3）
作為一般準則，有一些參數可以幫助為這些其他流動確定適當的多相流模型: 顆粒載荷β和斯托克斯數st(注意，在本討論中“顆粒”一詞是指顆粒、液滴或氣泡)。
1 顆粒載荷的影響
顆粒載荷對相的相互作用有很大的影響。定義顆粒載荷為分散相(d)與載體相(c)的質量密度比:
材料密度比為：
氣-固流動大于1000，液-固流動約為1，氣-液流動小于0.001。 通過這些參數，可以估算出顆粒相各顆粒之間的平均距離，Crowe等人已經給出了這個距離的估計。
其中，， 有關這些參數的信息對于確定應如何處理分散相是重要的。例如，對于顆粒載荷為1的氣固流動，顆粒間距離 約為8;因此，顆粒可以被視為孤立的(即非常低的顆粒載荷)。
根據顆粒載荷的不同，相間相互作用程度可分為以下三類:
對于非常低的載荷，兩相之間的耦合是單向的(即流體通過阻力和湍流影響顆粒，而顆粒對流體沒有影響)。離散相模型、混合模型和歐拉模型都能正確地處理這類問題。由于歐拉模型是計算量最大的，建議采用離散相或混合模型。
對于中等載荷，耦合是雙向的(即流體通過阻力和湍流影響顆粒相，而顆粒反過來通過平均動量和湍流的降低影響流體)。離散相、混合和歐拉模型都適用于這種情況，但需要考慮其他因素，以決定哪種模型更合適。下面是使用Stokes數作為指南的信息。
對于高載荷，有雙向耦合加上顆粒壓力和顆粒引起的粘性應力(四向耦合)。只有歐拉模型才能正確地處理這類問題。
2 斯托克斯數的意義
具有中間顆粒載荷的系統，估計Stokes數的值可以幫助選擇最合適的模型。可以將Stokes數定義為粒子響應時間與系統響應時間的關系:
其中， ， 是基于所研究系統的特征長度 和特征速度 ， 。
展開 
流體仿真軟件VirtualFlow：Level-set在多相流模擬中的應用
圖 3.8輸出流體密度云圖
3 工程應用
3.1 石油工程
在石油開采過程中，注水開采是一種常見的二次采油方法，通過向油藏中注入水來驅替原油，提高原油的采收率。Level-set方法可以用于模擬注水過程中的油水兩相流動，幫助工程師更好地理解油水在油藏孔隙介質中的滲流規律，預測注水波前的推進速度和形態，以及優化注水方案，提高注水效果和原油采收率。此外，在石油工程中還涉及到諸如油井井筒內的氣液兩相流動、油氣水三相分離等多相流問題，Level-set方法也可以為這些設備的設計和優化提供理論支持和技術指導。
圖 4.1臥式三相分離器模擬
3.2 水利工程
潰壩是一種常見的水利工程災害，當壩體突然破裂時，大量的水體快速下泄，會對下游地區造成嚴重的洪澇災害和人員傷亡。利用Level-set方法可以對潰壩過程中水流的演化過程進行模擬，包括壩體破裂后的流體運動、水面形狀的變化以及流體與河床、障礙物等邊界的相互作用等，從而為潰壩風險評估、洪水預警和防洪措施制定提供重要的依據。同時，在水利工程建設中的其他多相流問題，如水庫的水位調節、泄洪建筑物的水流流態分析、水利樞紐中的泥沙輸移等，Level-set方法也能夠發揮重要作用，幫助工程師優化工程設計，提高工程的安全性和運行效率。
圖 4.2溢洪道場景
圖 4.3潰壩場景
3.3 化工領域
在化工生產中，許多化學反應過程都涉及到多相流現象，如氣液反應、液液萃取、氣液固三相流化床反應等。Level-set方法可以用于模擬這些過程中的相間傳熱、傳質和化學反應等復雜現象，幫助研究人員深入理解反應過程的物理化學機制，優化反應器的結構和操作條件，提高反應效率和產品質量。
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 邀請函 | OpenFOAM多相流基礎課程
研究方向：燃燒及多相流數值模擬
碩士生導師，主持國家自然科學基金和安徽省高校自然科研基金等多項縱向和橫向科研課題；發表 SCI/EI 收錄學術論文 10 余篇；具有多年 OpenFOAM、CHEMKIN 及 Cantera 等計算軟件的開發經驗。
王海宇 博士
埃因霍芬理工大學機械工程博士學位，現任上海實云工業軟件有限公司軟件開發工程師。
多相流在仿真中的應用和展望
穩態和瞬態仿真
多相流計算可以是穩態的，也可以是瞬態的。
穩態計算適合最終結果與初始條件無關、并且各相入口邊界差異較大的物理過程。通常將其他多相流物理現象建模為與時間有關的物理過程。由于需要求解額外的方程式，并且做瞬態模擬，多相流模擬計算量非常大。ANSYS CFD提供了高效的并行計算方法，從而使多相流模型計算保持在合理的時間范圍內。
2.多相流仿真的展望與應用
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。
Speedo應用多相流模擬設計高性能泳鏡，
由Speedo提供。
多相流仿真案例分享：全自動洗碗機
為了優化全自動洗碗機的能量使用效率和用水量，工程師運用多相流和多物理場模擬多種流型變化：從旋轉臂上的噴嘴噴出的射流、射流飛濺在餐具上形成水膜、液膜或水滴從餐具上滑落以及旋轉臂下的積水過程。
他們使用ANSYS Fluent的拉格朗日方法模擬了水噴射流以及液滴從旋轉噴射臂到餐具的完整運動過程。
展開 多相流模型|DPM01基礎知識
導讀：介紹DPM模型。
Discrete Phase Model（DPM）是CFD中用于求解流體中顆粒運動問題，比如粉塵、液滴或氣泡。跟連續介質流體不同，這種離散相可以被單獨追蹤或成組追蹤
DPM中，需要定義兩種不同相，連續相跟顆粒相。兩相通過控制方程中的源相進行耦合。
DPM的物理模型
跟單相流一樣，連續相通過歐拉模型建模。拉格朗日模型用于追蹤顆粒相，并基于網格中流動的變量（速度 、密度等）調整顆粒的運動軌跡。
反過來，顆粒相也可以通過源項調整動量、溫度、組分等，影響連續相的流動。包括顆粒/液滴的蒸發。
計算中，顆粒被當移動的點質量，受到周圍流動、重力及其他顆粒引起的作用力。每個顆粒表征一個真實的顆粒或一組真實的顆粒群（取決于具體的應用）。
一般要求第二相的體積分數小于10%，才能夠使用DPM模型，且網格尺寸要大于顆粒直徑。由于未考慮顆粒體積變化及顆粒之間碰撞影響，因此會降低部分精度。
DPM模型的應用
以下是DPM模型常見的應用場景：
噴霧模擬：比如噴霧干燥和噴漆、噴油器特性；
顆粒追蹤：追蹤流動中顆粒的運動，例如沉積物運移、芯片中微管道顆粒運動，污染物擴散或者粉塵擴散等。
燃燒模擬：對燃料固體顆粒或者油滴建模。
Stokes數
Stokes數是流體力學中描述顆粒與流體相互作用的核心參數，其定義為顆粒弛豫時間與流體特征時間的比值：
中為顆粒弛豫時間（反映顆粒速度衰減至流體速度所需時間），
為流體特征時間（與流動的時空尺度相關），與系統的特征長度及特征速度有關，.
當遠小于1時，顆粒可以緊跟著流體運動，此時，采用DPM、Mixture或歐拉都可以，取決于其他參數。
當大于1時，顆粒獨立于流體運動，DPM或者歐拉模型二選一。
當約等于
展開 【多相流】顆粒的屬性及溫度（12）
1 顆粒屬性
顆粒濃度是計算混合物有效粘度的一個重要因素，我們可以使用顆粒粘度來獲得懸浮液的粘度值。粘度的體積加權平均值將包含由于平移和碰撞引起的粒子動量交換產生的剪切粘度。加入碰撞和運動部分以及可選的摩擦部分，以得到固體剪切粘度:
1.1 碰撞粘度
剪切粘度的碰撞部分被模擬為：
1.2 動力粘度
Fluent給出了動力學粘度的兩種表達式。
默認表達式來自Syamlal等人:
還有Gidaspow等人的表達式也是可用的：
2 顆粒溫度
粘度需要指定固體相的顆粒溫度。這里我們使用顆粒溫度傳輸方程的代數方程。這只適用于稠密的流化床，在顆粒能的產生和耗散處于平衡的前提下，對流和擴散項可以忽略。
Fluent允許通過以下選項求解顆粒溫度:
代數公式(默認),是通過忽略傳輸方程中的對流和擴散而得到的;
常數的溫度,這在隨機波動很小的非常密集的情況下是有用的;
使用UDF指定顆粒溫度。
3 固體壓力
計算未過濾的總固體壓力，并將其包含在混合動量方程中:
展開 FLUENT多相流模型
FLUENT多相流模型
多相流模型.pdf
FLUENT的多相流分析
學習fluent的時候，做的一個多相流的例子，分享給大家。
模型文件流郵箱吧，有點大傳不上來。
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 多相流模擬仿真在核電領域的應用及展望
例如，利用機器學習算法對多相流模型進行優化和參數調整，提高模型的預測能力；通過數據挖掘技術分析多相流模擬數據，發現隱藏的物理規律和特征等；神經網絡生成代理模型，加快復雜裝備優化迭代速度。
圖 7 VirtualFlow中人工智能的應用
多相流模型在核電領域的應用廣泛而深入，涵蓋了核反應堆設計與優化、熱工水力分析、安全分析與評估、事故模擬與研究等多個方面，為核電站的安全、高效運行提供了有力的技術支持。隨著研究的不斷深入和技術的不斷發展，多相流模型在核電領域的應用前景將更加廣闊。
【多相流】VOF模型概述（5）
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。所有的相都共享變量和物性，并表示體積平均值，只要在每個位置都知道每個相的體積分數。因此，根據體積分數的值，任何給定單元格中的變量和屬性要么純粹代表一種相，要么代表一種相的混合物。
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