VOF多相流的案例
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過程中的源項。
2s時刻的液體體積分數云圖
UDF函數共有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 自主CAE | 基于PERA SIM Fluid的船體靜水阻力仿真
圖18 自由液面高度和液面速度分布
選取VOF=0.5的等值面，與國外軟件相比，液面高度和速度分布也一致，隨著船的航行，船行波開始形成。
2）穩定階段
達到穩定階段后，波形趨于穩定，船首和船尾的興波作用最強，并且興波不斷擴散形成近扇形區域。
圖19 自由液面分布
圖20 自由液面高度
圖21 自由液面速度
對穩定階段的阻力值進行平均，獲得船體的總阻力并與國外軟件進行了對比，偏差為5.72%。
表1 阻力值對比
結論
利用PERA SIM Fluid軟件的VOF模型，對船體的興波特性和行駛阻力進行了仿真，實現了從幾何模型處理、網格劃分、物理模型和邊界條件設定、求解及計算結果處理的完整分析流程，驗證了軟件對多相流問題的解算能力；與成熟CFD軟件進行了結果對比，流場分布趨勢保持一致，總阻力偏差為5.72%，對于復雜模型的復雜物理場，具有較高的計算準確性。
作者：安世亞太工程師 王鑫鑫
展開 6DOF應用于木球在水中上浮
本例采用6DOF模型，配合VOF多相流模型，計算木制小球在水中的上浮過程。
1、建立幾何模型
建立簡單二維模型即可。如圖1所示。重心坐標（0，0，0），木球直徑80mm，重心距下部邊界200mm，距上部邊界800mm，左右均為400mm。
2、劃分網格
在ICEM CFD中生成全三角形計算網格，如圖2所示。設定上部邊界為pressure_outlet，矩形上其它三條邊為wall，小球邊界為moving_wall。此處可以生成邊界層網格，然后將邊界層網格添加至另外的計算域moving_fluid，讓該區域跟隨moving_wall一起運動。然后將模型導出為msh文件。
3、UDF
UDF比較簡單，如下所示。采用DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏，給質量及三方向慣性矩賦值即可。
woodball.txt
4、計算域設置
Fluent讀入msh文件，scale網格設定合適的單位。將網格尺寸及顯示尺寸均設為mm。如圖3所示。
5、基本面板設置
設置Time為瞬態Transient，同時激活重力選項，設置重力加速度為Y方向-9.81m/s2。如圖4所示。
6、模型面板設置
設置VOF多相流模型，如圖5所示。設置body force formulation為Implicit Body Force。選擇湍流模型為標準k-epsilon模型，采用標準壁面函數。
7、材料
材料數據庫中添加water-liquid后，在結合UDF進行設置。
設置水為主相，空氣為第二相。如圖6所示。
展開 
6DOF計算小球自空氣中墜入水中
圖4 general面板設置
6、模型面板設置
設置VOF多相流模型，如圖5所示。設置body force formulation為Implicit Body Force。
圖5 多相流模型
選擇湍流模型為標準k-epsilon模型，采用增強壁面函數。
6、材料
材料數據庫中添加water-liquid。
設置水為主相，空氣為第二相。如圖6所示。
7、邊界條件設置
本例中需要設置的邊界條件為出口邊界。該邊界設為壓力出口，靜壓為0。如圖6所示。
圖6 出口邊界設置
同時設置出口第二相組分為1.即出口全部為空氣。
8、動網格設置
激活動網格。在Dynamic mesh面板中，激活smoothing與Remeshing方法，同時勾選Six DOF選項。如圖7所示。
圖7 動網格設置
點擊Mesh Methods的Settings進入參數設置面板，在smoothing標簽頁下設置Spring Constant Factor為0.5，進入remeshing標簽頁，進行圖8所示設置。
圖8 remeshing設置
關閉mesh method settings面板，進入six dof setting面板。進行如圖9所示設置。
圖9 6DOF設置
勾選Write Motion History，這樣運動數據即可寫入文本文件。
設置完畢后關閉6DOF設置面板。
創建運動區域，如圖10所示，指定運動區域為moving wall，勾選six dof options中的on選項。
展開 智能熱流體仿真軟件AICFD 2024R1新版本功能介紹
圖5 AICFD智能加速案例：簡化汽車外氣動仿真
4）優化多相流VOF算法
多相流VOF模型可以準確分析船舶航行過程中受到的阻力情況，從而指導船型設計優化，提高船舶的可用性和經濟性。
AICFD 2024R1優化多相流VOF算法，精度與魯棒性雙提升；船舶靜水阻力仿真計算，KCS、DTC、KVLCC2、JBC等標準船型典型工況仿真值與實驗值誤差均小于3%，仿真速度比肩國外商軟，達到船舶行業使用標準。
圖6 AICFD多相流VOF案例：船舶靜水阻力計算
5）優化數值格式，提高氣動噪聲計算精度
風噪作為新能源汽車主要噪音來源之一，對乘員的舒適性和駕駛體驗產生顯著影響。CFD分析中，關鍵部位氣流的微小變動會對結果產生顯著影響，因此需要在超大網格規模下進行高保真度的瞬態計算，以捕捉不同空間與時間尺度的精細湍流結構。整車風噪仿真能力體現了一個CFD軟件的綜合實力。
AICFD 2024R1針對風噪問題進行數值格式的優化，四千萬級別網格的實車風噪仿真速度可比肩國外商軟，全頻段聲壓級與實測值接近，達到汽車行業使用標準。
圖7 AICFD數值格式優化：整車風噪計算
6）優化可壓縮算法：跨聲速可壓支持航空經典算例
AICFD 2024R1優化了可壓縮求解程序，增加了無反射邊界條件。在飛行器跨聲速氣動分析中，實現了對激波的準確捕捉，并且計算精度、收斂特性、計算魯棒性均大幅提升，其中計算的DLR F6翼身組合體模型的升、阻力系數與實驗偏差分別為1.9%與3.1%，優于國外商軟。
圖8 AICFD可壓縮案例：DLR-F6翼身組合體跨音速流動
7）支持動態邊界條件：為多物理場聯合仿真提供底層支持
AICFD 2024R1新增動態邊界條件，支持靜壓入口、速度入口、質量流量入口、溫度入口、溫度壁面的動態輸入。
展開 【多相流】VOF模型的體積分數（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，與幾何重構方案相比具有較好的優勢。目前，該方案僅適用于穩態求解器，不適用于瞬態問題。在BGM方案中，離散化以這樣一種方式發生，即通過使面值向向外推順風值加權的程度最大化，從而使梯度的局部值最大化。
【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 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 多相流模型在火箭發射噴水降噪系統中的應用
由于在VOF多相流模型中考慮了空氣對水的粘性影響，因此采用VOF模型計算獲得的噴水距離要小于水柱拋物線運動理論計算的距離。與經典運動理論公式計算相比，采用VOF多相流模型計算更加接近真實狀態，因此可以減小設計冗余。
【參考文獻】
Bruce T，Vu Nicholas Moss，Zoe Sampson. Multi-Phase Modeling of Rainbird Water Injection, American Institute of Aeronautics and Astronautics.
來源：多相流在線
【多相流】VOF的材料、動量和能量方程（7）
1.材料屬性
輸運方程中出現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，在兩相系統中，如果各相用下標1和2表示，如果第二個相的體積分數被跟蹤，則每個單元的密度為：
一般來說，對于n相系統，體積-分數平均密度呈現如下形式:
所有其他性質(例如粘度)都是這樣計算的。
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的所有相的體積分數。
共享場近似的局限性是，在相間存在較大速度差的情況下，計算界面附近的速度的準確性會受到不利影響。注意，如果粘度比超過1000，這可能會導致收斂困難。(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(有效導熱系數)和μ_eff(有效粘度)是通過對相的體積平均計算出來的。源項s_h包含輻射以及其他體積熱源的貢獻。 與速度場一樣，在相之間存在較大溫差的情況下，界面附近溫度的準確性受到限制。在物性變化幾個數量級的情況下也會出現問題。例如，如果一個模型包括液態金屬與空氣結合，材料的熱導率可能相差多達4個數量級。這種物性的大差異導致方程集具有各向異性系數，這又會導致收斂和精度受到限制。
4.附加標量方程
根據你的問題的定義，可能會涉及到額外的標量方程。在湍流的情況下，求解一組輸運方程，湍流變量(如k和e或雷諾應力)由整個場中的相共享。
展開 
【多相流】VOF中的明渠流動（9）
利用VOF公式和明渠邊界條件，Fluent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構)的影響進行模擬。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用和通過排水系統的水流分析。明渠流動的特征受無量綱數弗勞德數控制，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：
根據弗勞德數，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
與明渠流動相關的每個相的質量流量定義為：
1.3 Volume Fraction Specification
在明渠流動中，Fluent根據邊界條件對話框中指定的輸入參數在內部計算體積分數，因此該選項已被禁用。對于亞臨界進口流動(Fr < 1)，Fluent利用鄰近單元的數值重建邊界上的體積分數值。這可以通過以下程序來完成:
使用單元值計算邊界處體積分數的節點值。
使用內插的節點值在邊界的每個面計算體積分數。 對于超臨界進口流動(Fr > 1)，邊界上的體積分數值可以用自由表面距底部的固定高度來計算。
展開 多相流——VOF模型計算氣泡上升過程
應用VOF模型對氣泡在自由液面的上升過程做了簡單的數值分析，此分析過程為2維，實際計算中可以計算3維運動，氣泡在自由液面中的運動大多數為螺旋上升狀態，模擬時需要注意氣液兩相表面張力的設置，可以通過查資料獲得，時間步長的設置很重要，若設置不合適氣泡的形狀會在上升過程中失真。有朋友遇到此類數值分析的可以聯系我。
【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對附著力處理施加約束。在這里，接觸角處理將僅應用于與非多孔流體區相鄰的多孔跳變的一側。因此，接觸角處理將不會應用于多孔介質區附近的多孔跳躍側。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行接觸角處理。
Forced Two-Sided Adhesion:
Fluent允許對流體區域使用強制的雙邊接觸角處理，而不受任何強加的約束。
展開 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，需要依據最大庫朗數要求計算出最大時間步長，不然很難得到想要的計算結果，因為本算例收斂困難，VOF模型的界面形狀變化需要精細的數值計算。
初始時刻
50倍時間步長
最終時刻
