自由表面流模擬的案例
沸騰流仿真（伴隨有相變化的自由表面流仿真）
在氣液二相流仿真中，有時會遇到對沸騰流作模擬。近年來，由于所使用電腦的飛速發展，有關混相流課題的流體解析模擬問題差不多都得以解決。即便如此，仍有一些復雜的混相流現象難以進行模擬。其中之一就是沸騰流。沸騰流雖然在熱交換器，冷卻系統等許多工業領域中有廣泛的應用，但其流動方式會隨液體與傳熱表面的溫度差等因素而發生變化，是一種復雜的流動。如果從微觀尺度來著手處理沸騰流問題，就必須對傳熱表面氣泡核的生成，及其隨后的發展，脫離等過程一一建立模型，目前尚缺乏普遍適用的模擬方法。因此，只能從宏觀途徑來加以考慮。
圖21.1中展示的是，通過自由表面流仿真中的VOF法來模擬沸騰流，對蒸發和冷凝（液化）這樣的相變化過程，用F值（即流體體積率）的增減來加以表示，從而建立模型。同時，還考慮潛熱的吸收和釋放，以及因氣液態密度差引起的體積的增減。上述諸量的變化，在局部區域取得平衡。在此假定的前提下，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Lee于1980年提出了有關蒸發和冷凝的一系列基礎方程式，從而建立起一個完整的模型。圖21.2就是Lee建立的模型，各個流體單元內的液體溫度若高于飽和溫度（即沸點）就蒸發，反之就液化。從這一假定出發，根據液體溫度與飽和溫度之間的差，同時考慮氣體與液體密度的不同，從而計算出相變化量的大小。
圖21.1 沸騰流的建模
圖21.2 Lee建立的模型
接下來，打算介紹這一章的模擬實例。作為第一個實例，首先來看一下圖21.3。在一個注了水的方形容器的底部加熱，我們來模擬從液相到氣相的相變化過程。圖中展示了VOF值為0.5的等值面。容器底部被加熱，產生了氣相（即氣泡），由于浮力的作用，氣泡徐徐上升，整個過程歷歷在目。
圖21.3 模擬實例之一：在容器底部加熱
另外，在氣相和液相之間的產生相變化時，物質的密度也隨之發生變化。
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 講講帥氣的MIKE
ECO LAB/Oilspill環境/溢油模塊的加入使得MIKE 21還是一個有效的環境、溢油模擬及評價工具。
1. 水動力學模塊(HD)
該模塊模擬由于各種作用力的作用而產生的水位及水流變化。它包括了廣泛的水力現象，可用于任何忽略分層的二維自由表面流的模擬。HD模塊是MIKE 21軟件包中的基本模塊，它為泥沙傳輸和環境水文學提供了水動力學的計算基礎。
HD模塊模擬湖泊、河口和海岸地區的水位變化、和由于各種力的作用而產生的水流變化。當用戶為模型提供了地形、底部糙率、風場和水動力學邊界條件等輸入數據后，模型會計算出每個網格的水位和水流變化。
由于MIKE 21 HD模塊是非常通用的水文學工具，它可以用來描述各種水力現象，如：潮汐交換和潮流；風暴潮；漩渦；港區的水面波動；潰壩；海嘯。
2.對流擴散模塊（TR）
該模塊模擬水中溶解物由于對流和擴散作用的傳輸過程，如：
鹽度
熱交換
大腸菌群
其他異型生物質的化合物
線性衰減和熱耗散也能通過AD模塊來計算。
3.水質/溢油模塊（ECOLab/Oilspill）
ECOLab是一個完備的、用于生態模擬的數值實驗室，它提供了從簡單到復雜的解決方案。而且，還提供了一系列的模板，用戶可根據自己的具體應用選擇使用模板，并可在此基礎上寫入自己的公式來創建自己的應用模板，從而為用戶節省了大量用于編程的時間。
該模塊用于河流、濕地、湖泊、水庫等的水質模擬，預報生態系統的響應、簡單到復雜的水質研究工作、水環境影響評價及水環境修復研究、水環境規劃和許可研究、水質預報和溢油風險后果分析。
4.輸泥模塊（MT）
MIKE 21的輸泥模塊（MT）結合了多粒徑級和底床分層，描述了粘聚性泥沙（淤泥或黏土）在波浪和水流作用下的沖刷、傳輸和沉積。
展開 Cradle CFD—專業熱流場分析工具
??多相流求解功能
Cradle采用MARS方法解決自由表面流問題、模擬滲透和毛細作用，用VOF方法和重疊網格法模擬自由物體的移動過程，例如可用于水上自由移動物體的路徑分析，氣升泵的工況分析等。常見的場景還包括模擬油液在油箱中的晃動和回流焊中焊料融化的過程等。
依據粒子追蹤法，可模擬分離器內水和沙的分離過程、分析蒸發和揮發過程、噴霧燃燒、顆粒液化（液體噴膜應用）等問題。針對車燈、玻璃、家電等還可進行凝露、結冰和蒸發等分析。
?? 電子系統求解功能
支持Gerber數據利用，且具有封裝件制作工具（可根據不同的芯片封裝形式生成對應的模型），支持分析運動物體造成的熱流傳遞現象（scStream內置的直交網格可直接實現線性和圓周軌跡的運動），無厚度板換熱處理，焦耳熱模型等。
?? 較高效的計算能力
在靈活的概念設計初期，Cradle可以提供快速可靠的熱流暢分析，支持導入部件繁多的復雜CAD模型，通過批量處理零部件、曲面捕捉、模型修復和體素網格技術等，快速自動地按需進行網格生成。另外測試顯示高核數并行計算效率高，可節省大量內存。用戶可在資源充足的情況下，支持采用上萬個內核和近20億的網格進行高精度求解。
?? 逼真的可視化處理
在后處理中，通過scPOST可視化在求解器中計算的仿真結果，例如在實際產品中無法測量和觀察到的溫度分布以及流場分布，這有利于產品設計的審查和優化方案的制定。在Cradle的后處理模塊中，不僅可以輸出靜止圖像，還可以輸出動畫和CradleViewer 的輸出文件。
照明和反射的增強顯示使scPOST能夠創建逼真的渲染效果。
展開 
