VOF方法
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-09
VOF方法的視頻教程
STARCCM+系列CFD課程06-多相流-VOF方法
課程安排： <01> 多相流VOF方法知識點概述 <02> VOF-重力驅動流體 <03> VOF-毛細效應 <04> VOF-空化 <05> VOF-沸騰 <06> VOF-融化-凝固 <07> VOF-使用自適應網格化的油箱晃動
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Cradle CFD非結構化網格熱流分析基礎
（5）Workshop 4 船舶兩相流分析 ?掌握VOF多相流仿真方法 ?掌握提取船舶表面流體力的方法 （6）Workshop 5 電子器件（投影儀）熱流分析 ?掌握熱流分析方法：CPU發熱，冷卻風機散熱 （7）Workshop 6 旋轉機械三維流動分析（多翼離心風機） ?掌握旋轉機械的流動分析方法 ?得到該多翼離心風機的性能特性
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VOF方法的實例教程
常用的界面捕捉模型包括LS（Level Set）方法和VOF（Volume of Fluid）方法。</p><p>多相流模擬軟件，首先就是針對此類有邊界面的問題。目前主流的商業CFD軟件大多采用VOF方法，而定位于多相流仿真的國產通用流體仿真軟件Virtualflow采用Level Set方法進行界面流仿真。</p><p><br></p><h2>1、Level Set 方法</h2><p>Level Set方法是基于空間曲面的隱函數表達。</p><p>在LS方法中，每一個時間步都要重新初始化LS方程，在時刻tn 求得的LS函數與控制方程一起求解得到下一時刻的LS函數，這些初始化的過程中總伴隨著界面位置的移動，會造成質量損失，導致質量不守恒。而改善初始化步驟來矯正質量守恒又會增加計算時間，提升計算成本。同時，因為LS方法采用的是光滑的距離函數來捕捉相界面，各個物理量可以在界面上光滑連續地過渡，且相界面的捕捉效果好。</p><p><br></p><h2>2、VOF方法</h2><p>在VOF方法中，用來劃分兩相界面的函數是體積分數α，表示的是單個網格內的液體體積與這個網格總體積的比值。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://bexp.135editor.com/files/users/1445/14451217/202406/cWUkgG9x_DPHz.png?
展開 VOF算法的發展歷程及特色
VOF方法最早出現在DeBar(1974)的文章中，Hirt & Nichols(1981)形成了它完整的理論體系和實現方法，現在的VOF方法都是在Hirt & Nichols(1981)的基礎上發展起來的。VOF方法使用每個網格單元被流體所占有的體積份額函數F來捕捉自由面，由于只需要一個字節的內存保持一個網格中的流體體積分數信息，相對于其他算法，效率高的優勢非常明顯。有許多商業流體分析軟件都是以此方法為核心編制而成的，著名的是NASA-VOF2D(Torrey et 1985)，NASA-VOF3D(Torrey et 1987)。在VOF方法中一個很關鍵的問題是自由面單元中自由面的表達。在Hirt & Nichols(1981)的VOF方法，單元中自由面的法線方向近似取為水平或垂直的，對F的計算,空間離散只能達到一階精度,是比較粗糙的近似，且這些方法在流體流動的過程當中很容易產生流體碎片。Youngs (1982), Parker & Youngs (1992) 用離散的斜線段來表示自由面,同時利用相鄰網格的體積分數采用中心差分、最小二乘法預測自由面的法向。斜線段方法表示自由面在空間上可以達到二階精度。也就是可以讓F的計算在空間達到二階精度,但現在它在計算的過程中有時需要人為地判斷才能確定自由面的形狀。國內中國科技大學的劉儒勛教授在他的專著《數值模擬方法和運動界面追蹤》中詳細介紹了上述算法，并給出了具體的科研實踐源代碼，非常值得參考。
VOF方法從提出到現在幾十年，被人們不斷地改進和提高，且廣泛應用，主要原因在于：
1. 它可以很自然地讓流體的質量得到守衡；
2. 它能很方便地處理自由面的大變形和自由面的拓撲結構發生變化等復雜情況；
3.
展開 導致入口氣體射流破裂的界面不穩定性的產生對自由表面追蹤方法數值計算的敏感度如何？并最終通過詳細的比較闡述國外商軟中的VOF方法用于預測段塞流型的數值方法的不足之處。核心在于其無法預測不斷增長的界面不穩定性的形成以及注入氣體的最終段塞形成。我們建議或許可以采取緩和策略來改進針對這類問題的建模。
二、仿真框架
2.1 本文采用的兩款CMFD軟件的說明
本文的數值模擬使用了兩種不同的CMFD軟件，分別為ANSYS公司的國外商軟與積鼎科技的VirtualFlow。國外商軟采用VOF方法，而VirtualFlow采用LS方法。VOF和Level Set作為被廣泛使用的兩種自由表面追蹤方法，其各自有繼承了一些有據可查的、積極的和消極的自身的優劣之處，如圖1所示。本文的重點不是通過開發修正這些劣勢，而是在評估VOF和LS在數值計算過程中的表現時需要合理地重視并盡量規避這些弊端。國外商軟與VirtualFlow搭載的都是基于有限體積法求解多流體Navier-Stokes方程的壓力基求解器。當然，使用的離散化方案和時間積分方法是不同的。表1列出了模擬中應用的方法，VOF（c）中界面的重建是用二階CISAM格式進行求解的，而LS函數（φ）是用QUICK線性迎風格式進行求解的。
展開 因為在連續相液體變成霧滴之前，我們可以用網格來捕捉液體界面，這就是VOF方法；而霧化后，會形成大量的微小粒徑的霧滴，這些霧滴粒徑非常小，甚至達到微米級別，我們不能用更小尺寸的網格來捕捉霧滴，即使能捕捉，也需要巨大的網格量才可以，所以只能利用DPM離散相模型來表述霧滴。這樣霧化過程仿真就要通過兩種方法VOF+DPM來實現，在以前這兩種方法是割裂開來的，Fluent19.0版本，增加了一個轉換模型，使我們可以完整的實現霧化全過程模擬，得到如下圖所示的效果：
VOF to DPM完整霧化圖
展開 FLOW-3D?的主要特點：
FLOW-3D?之所以具有如此廣泛的應用領域和遍及全球的用戶，是因為FLOW-3D?具有下述重要特點：
n 獨特的FAVORTM技術
FLOW-3D?使用了一種方法將矩形網格的優點和扭曲的、適體的網格的靈活性結合在一起，這種方法稱之為自由網格法（網格和幾何體相互獨立）。這種方法是建立在結構化網格系統之上，裁剪網格的一部分來定義光滑的曲面。簡單的矩形網格生成容易，數值精度高，內存需求較小。FLOW-3D?使用獨有的FAVORTM方法在網格內部定義障礙物的幾何模型，計算障礙物所阻擋的每個網格的面積和體積。FAVORTM方法使FLOW-3D?利用簡單的矩形網格來表示任意復雜的幾何形狀，這將大大提高了求解的精度。
n Tru-VOF 方法
流體體積法（VOF）是最成功的體積跟蹤的數值方法，主要由三部分組成：一是定位表面；二是跟蹤自由表面運動到計算網格時的流體表面；三是應用表面的邊界條件。許多CFD程序宣稱使用了VOF方法。事實上，它們僅僅執行了VOF中的兩步，象這“虛假的VOF法”經常得出錯誤的結果。FLOW-3D?使用了真實的三步VOF方法，稱之為“Tru-VOF”。
n 包含三種算法：分離隱式算法、顯式算法、可改變方向的隱式算法。從而使Flow-3DR適用于低速不可壓流動、跨聲速流動乃至壓縮性強的超聲速和高超聲速流動。
n 包含豐富而先進的物理模型，使得用戶能夠模擬無粘流、層流、湍流、傳熱、化學反應、顆粒運動、多相流、自由表面流、表面張力、相變流、凝固等復雜的物理現象。
n 可同時考慮對流換熱、熱傳導、熱輻射等換熱方式。
n 不僅可求解牛頓流體，也可求解非牛頓流體。
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VOF方法的相關專題、標簽、搜索
VOF方法的最新內容
VOF方法與LS方法作為目前最為流行的兩種多相流自由表面捕捉方法，二者應當在充分收斂的計算條件下得到流動規律與仿真質量相對一致的結果。然而，在文獻中，我們發現對于分別采用VOF和LS方法的水平管道中的兩相流動的數值仿真，得到的仿真結果之間似乎存在明顯的差異。
一期一會 | 什么是流體流動？8個月前
工程師使用歐拉-拉格朗日、歐拉-歐拉或流體體積（VOF）等方法來解決這些問題。
流體流動的數值仿真
在中等雷諾數下，可以根據納維-斯托克斯方程（不包括湍流建模）對湍流進行直接數值仿真（DNS）。然而，由于直接數值仿真所需的計算資源過多，而大多數工程流動的雷諾數過高，所以難以進行直接數值仿真。
相比傳統 CFD 工具常用的 VOF 方法，ISPG 能夠以較少的粒子數量獲得高質量的仿真結果。此外，ISPG 還能與 LS-DYNA 的隱式 FEM 求解器結合，實現流固耦合分析。
該方法在多個工程領域具有廣泛應用前景，尤其適用于回流焊工藝仿真，例如在結構翹曲變形作用下的焊球形狀及橋接現象模擬。此外，它在粘膠工藝分析（如壓膠形狀預測）等方面也展現出良好的適用性。
Li 通過 CFD - DPM - VOF 耦合的方法模擬氣 - 液 - 固三相流化床，采用基于歐拉框架的 CFD 方法模擬連續相液相，通過離散顆粒模型（Dispersed Particle Method, DPM）描述顆粒的運動，使用 VOF 方法捕捉氣泡的形變。
基于此，團隊創新開發氣-液-固三相湍流模擬方法（VOF - RSM - DEM），其中自主研發的 DEMms 軟件，憑借獨特的算法架構與模擬能力，成為攻克該難題的核心技術支撐。
創新算法架構，實現顆粒運動精準建模
DEMms 軟件基于離散元法構建核心算法體系，深度融合牛頓第二定律與歐拉第二運動定律，為顆粒的平移與旋轉運動提供精確的動力學描述。
對于界面流問題，它采用了 VOF和 Level Set 方法。VOF 方法能夠清晰地追蹤氣液兩相的界面，通過計算每個網格單元內氣相和液相的體積分數，準確描述界面的位置和形狀變化。Level Set 方法則是將界面表示為一個符號距離函數，在處理復雜界面變形和拓撲變化時具有獨特優勢，能夠更精確地捕捉氣液界面的動態演化。
在混合流問題上，VirtualFlow 提供基于歐拉 - 歐拉體系的均相模型。
VirtualFlow提供了多種多相流模型，包括VOF、LevelSet方法用于界面流問題，基于歐拉-歐拉體系的均相模型用于混合流問題，以及歐拉-拉格朗日模型用于離散相流體問題。這些模型能夠精確模擬沸騰、冷凝、液面晃動等多相流現象，為反應堆的熱工設計、安全分析和性能優化提供支持。
1、VirtualFlow界面流模型
VF中有兩種處理界面流的方法，分別是VOF方法和LevelSet方法，兩種方法各有千秋，相關的不同與優劣，在本公眾號的文章《LMFD應用 | LBM直接求解水平集方程，實現氣液/液液兩相流模擬》中有詳細的介紹，有感興趣的讀者可參考閱讀。VirtualFlow中的VOF模型與其他CFD仿真軟件是一樣的，但是在LevelSet模型上獨到之處。
</p><p> <strong>1.1 數值擴散</strong></p><p><strong>成因</strong>：</p><p>數值擴散是由于VOF方法中體積分數的對流項離散化誤差引起的，尤其在使用低階格式（如一階迎風格式）時更為顯著。</p><p>在界面捕捉過程中，界面形狀會隨著流動逐漸擴散，導致界面模糊，失去物理意義。
VOF方法可以準確預測自由液面的形狀和非線性波浪行為。對于浮動系統，CFD可以與有限元分析（FEA）相結合，以預測平臺在波浪撞擊期間的動態和結構反應。
SPAR平臺的波浪相互作用
圖1為SPAR對10和20米波浪的動態反應。這兩個波浪均為20秒的周期，并使用線性波浪邊界條件生成。SPAR被建模為質心有6個自由度的剛體。
圖2為SPAR質心的垂直位移。
