沸騰兩相流仿真的案例
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 三維管內沸騰仿真分析-關鍵設置 ￥4.99
利用Fluent軟件可仿真分析如下圖所示的管內沸騰傳熱仿真分析。
設置關鍵點如下：
1，首先是網格，網格一定要足夠密，否則就無法精確的捕捉氣相的生成，氣液相交界面就會不光滑，仿真效果會很差，我這里采用的網格最小尺寸為0.001m，也就是1mm，當然為了更精確，網格尺寸還可以更小，并采用細長網格，斷面采用0.001m，長度方向0.01m。
FLUENT多相流案例之二：基于VOF模型的水平薄膜沸騰仿真 ￥499
薄膜沸騰，是指當壁面溫度遠遠高于與壁面接觸的液體的飽和溫度，整個壁面都浸在蒸汽中，由于在汽-液界面發生沸騰質量交換，氣泡周期性地產生并向上流動溢出。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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解決氣液兩相流仿真難題，這款國產自主的流體力學仿真軟件有哪些特色？
尤其是流體仿真板塊，國產軟件正在快速發展，打破國外技術壟斷，由積鼎科技自主研發的通用計算流體力學軟件VirtualFlow便是其中的引領者。這款自研軟件聚焦多相流，尤其在氣液兩相流仿真方向，在復雜工業場景中為國內眾多行業提供有效解決方案。
氣液兩相流：復雜而關鍵的流動現象
氣液兩相流，簡單來說，就是氣體和液體同時存在并相互作用的流動狀態。這種看似常見的現象，實則蘊含著極高的復雜性。在氣液兩相流中，氣體和液體的比例、流速、溫度等參數時刻變化，它們之間的相互作用力，如摩擦力、表面張力等，使得氣液兩相流的行為難以預測。
在電力行業，電廠為提高循環熱效率設置的給水加熱器，其殼側水位需維持在一定范圍，而氣液兩相流的狀態直接影響水位控制。在石油化工領域，反應塔內的氣液反應過程、管道中的油氣輸送，都涉及氣液兩相流。不同的流型，如泡狀流、彈狀流、環狀流等，對反應效率和輸送安全有著重要影響。在航空航天領域，飛行器燃油流動也是氣液兩相流的典型應用場景，其流動狀態直接關系到發動機的性能和可靠性。
VirtualFlow：氣液兩相流仿真的得力助手
1、強大的多相流模型
VirtualFlow 軟件針對氣液兩相流的特點，提供了豐富且精準的多相流模型。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。該模型將氣液兩相視為一種均勻混合的介質，通過求解混合相的守恒方程，來模擬氣液混合流動的整體行為。
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干貨分享 | 轉運站導料槽氣固兩相流仿真
針對常見的輸煤轉運站建立相應的幾何模型，并采用DEM-CFD氣固兩相流仿真對物料和氣流進行分析，其中使用EDEM軟件分析顆粒的運動情況，AcuSolve軟件分析氣體的運動和受力情況，得到轉運站內氣體流速分布情況。
根據對比仿真得到的結果可知：
(1) 擋塵簾能夠有效抑塵：氣流在擋塵簾處撞擊造成能量損失，壓力降低，由于撞擊改向而形成的旋流存在有利于導料槽出口風速的降低，從而減少揚塵的產生；
(2) 泄壓閥起氣體分流作用：大量氣體從泄壓閥出口處逸出，使導料槽出口流量減少，有效降低誘導風帶出的揚塵；
(3) 導料槽出口位置前出現負壓有利于氣體回流，降低風速，減少導料槽出口位置的揚塵。
關于導料槽DEM-CFD流固耦合仿真，還需要進一步分析下列問題：導料槽長度跟物料下落速度的關系，擋塵簾的間距跟導料槽長度、物料下落速度的關系，泄壓閥的位置關系，回風管到底有沒有用，管徑跟風速、風量的關系，以及導料槽內能不能或如何才能形成穩定的負壓。
通過對轉運站導料槽的氣固兩相流仿真來設計轉運站結構，控制料流速度和導料槽長度的關系，合理布置抑塵裝置，可以有效降低誘導風，減少揚塵產生，從而以最低的成本帶來最高的效益。
文章來源：EDEM
展開 2025大賽優秀作品 | 氣液兩相流仿真技術研究與應用實踐
“Ansys 2025 全球仿真大會”
仿真應用大賽優秀作品展示
本屆仿真應用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業最佳實踐獎。近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創新實踐，充分展現了仿真技術的無限潛能。我們將陸續為大家分享獲獎佳作，帶您一同領略仿真賦能創新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。
作品名稱：氣液兩相流仿真技術研究與應用實踐
作者： 葉祖樑 | 中興通訊股份有限公司 熱設計高級系統工程師
關鍵詞：氣液兩相流，Ansys Fluent，散熱器設計優化
作者說
Ansys Fluent提供多種多相流模型，如VOF模型、混合物模型、歐拉模型等，可用于模擬氣液兩相流蒸發冷凝相變現象。綜合考慮軟件功能豐富性、模型自定義的可行性、以及學術研究中使用的廣泛性，Ansys Fluent很適合作為氣液兩相流仿真的研究工具。
對六種不同蒸發流道的仿真結果顯示，優化方案對比無流道可提升蒸發量29%
熱管、VC等兩相散熱部件在各類電子產品中應用廣泛，是解決局部高熱流密度散熱問題的重要方案。兩相部件內傳熱傳質機理復雜，當前業界主要通過打樣實測的方式研究，缺乏有效的仿真正向設計方法。本研究梳理了兩相流仿真技術的情況，基于Ansys Fluent VOF+Lee模型的方法建立了正向設計能力，開展重力熱管、蒸發流道、3D散熱器的仿真實踐，仿真精度達到80%以上，指導了散熱器的設計優化，具有良好的工程價值。此外，本研究思考并提出未來氣液兩相流仿真的發展方向，為行業提供了參考。
展開 【技術貼】AVL FIRE? M：從噴嘴內流到發動機缸內過程——考慮多組分燃料閃急沸騰的完整仿真分析方案
這種情況下將引起燃料的閃急沸騰，從而實現液體燃料更快的破碎速度，較小的噴霧貫穿距和較大的噴霧錐角。這將影響發動機的燃燒質量、改變CO2、NOx和Soot的排放水平，影響發動機的效率。圖2為閃急沸騰噴霧的示意圖，展示了閃急沸騰現象在噴嘴內部以及噴霧破碎、蒸發過程中的影響。
圖2：閃急沸騰示意圖，可以看出噴嘴內部以及噴霧區域閃急沸騰現象對于噴霧霧化的影響
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AVL FIRE? M中的多組分閃急沸騰模型
閃急沸騰現象指的是高溫液體壓力突然下降至飽和蒸氣壓，或者溫度超過飽和溫度時，由液相轉化為氣相的一種快速蒸發現象。在AVL FIRE M中，考慮了閃急沸騰發生時流體熱力學平衡狀態的變化，采用先進的Hertz Knudsen模型進行閃急沸騰傳質速率的建模。圖3展示了進行多組分多相流噴組仿真的圖形界面。模型中激活了Multiphase模塊和Species transport模塊，在species mass transfer界面，用戶需要指定發生閃急沸騰的液相組分和對應的氣相組分。
圖3：AVL FIRE? M軟件界面
對于多組分閃急沸騰噴嘴流動仿真建模，應激活Multiphase模塊，并在Mass Interfacial Exchange界面選擇Multi-component flash boiling模型，如圖4所示。
圖4：AVL FIRE? M 中關于多組分閃急沸騰的設置界面
各種液相組分和氣相組分的屬性對于閃急沸騰仿真來說是至關重要的，需要能夠在仿真中正確考慮。AVL FIRE M為用戶提供了非常智能的材料數據庫（Property Database，簡稱PDB），其中包含非常豐富的材料，這些材料可以非常方便的組合成各種替代燃料，如圖5所示。
展開 基于comsol兩相流固耦合的泡泡撞擊平板仿真 ￥760
有相變時的傳熱、塔設備中的氣體吸收、液體精餾、液體萃取以及攪拌槽或鼓泡塔中的化學反應過程等，都涉及兩相流。</p><p> 該模型可以用來研究平板受液體沖擊、氣泡在液體中的運動、液滴對平板的親水疏水分析等方向。</p><p> 本案例描述了油液兩相溶液中，一個油泡再水中不斷上升最后撞擊平板。</p><p> 在案例中求解了油液兩相流場，平板的應力和變形，以及油泡最終和平板的浸潤情況。</p><p> 詳見以下動圖：</p><p> 油泡撞擊平板</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202005/d85573486c414aee97257d28a4ccf404.gif" title="液滴撞擊平板-2.gif" alt="液滴撞擊平板-2.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202005/d85573486c414aee97257d28a4ccf404.gif?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202005/d85573486c414aee97257d28a4ccf404.gif?
展開 【CFD教程】3分鐘學會兩相流非穩態水壩潰堤仿真
求解參數設置
雙擊 仿真> 求解控制 ，增大計算步數到10000步，勾選輸出迭代頻率，每300步保存一次結果。
圖10 求解控制設置
四、初始化及求解計算
1. 初始流場設置
雙擊 仿真> 初始化，剛才已經設置了水的位置，除水外，其它區域都是空氣。把空氣體積分設為1，水的改為0，如圖所示；
圖11 初始化設置
2.求解計算
選擇菜單欄 求解> 求解> 直接求解> 并行，開始計算。
圖12 運行求解器
圖13 選擇求解模式
五、后處理
1. 監控曲線
點擊監控，查看殘差曲線；
圖14 殘差曲線
2. 可視化結果
a. 創建面：單擊菜單欄 后處理> 面，Z法向，變量選擇密度，確定。紅色代表密度大，是水，藍色是空氣；
圖15 查看水流位置
b. 動畫：單擊菜單欄 后處理> 動畫，位置選剛剛創建的平面，點擊播放，可以看到水流過程了。
圖16 動畫展示
展開 CMFD軟件對比：國外商軟與VirtualFlow在微通道兩相流仿真領域的預報效果
我們還需要進一步致力于客觀描述并盡量消除數值仿真在結果上的不足支出以盡可能獲得可靠的模擬結果。積鼎科技正在基于目前已相對確定的流動機理對數值仿真開發策略做更宏大的展望，始終致力于建立完善更穩健和更準確的數值仿真方法并推廣，目標超越目前微流體部件設計的經驗主義范式。
本文采用兩個目前較為流行的CMFD軟件：國外商軟與VirtualFlow研究了微型通道中氣液兩相流的特性。這兩款軟件具有不同的自由界面追蹤（Interface Tracking, IT）能力：Fluent采用Volume of Fluid (VOF)方法，而VirtualFlow采用Level Set (LS)方法。VOF和LS是應用最廣泛的兩種自由界面追蹤(IT)方法，目前已成功廣泛應用于多相流動的數值模擬領域。Taha等采用國外商軟中的VOF方法研究了上升的Taylor氣泡，并報告了氣相中的強再循環模式。Akbar、Ghiaasiaan以及Quian、Lawal也用國外商軟中的VOF方法研究了水平通道中的兩相流。他們的計算工況中，氣泡的流動方向與周圍液體的運動平行，氣泡與周圍液體處于并流狀態，數值結果顯示氣泡內未顯示再循環流場。Lakehal團隊以及Fukagata分別采用VirtualFlow軟件以及其他搭載Level Set方法的CFD軟件進行了類似的數值仿真研究，在他們的計算結果中都明確發現了由于氣泡周圍的流動而顯著增強的傳熱。
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。
展開 #253 FLUENT案例-離心泵固液兩相流和空化仿真
三、固液兩相流仿真基本設置
1.穩態計算
固液兩相時，考慮重力。
作空化仿真時，不用考慮。
2.設置湍流模型
使用標準KE湍流模型。
3.設置兩相材料
此處設置為水和作為擬流體的沙。
4.使用歐拉兩相流模型
并將上述兩相材質分別賦到兩相成分上。
5.設置動域轉速320r/min
6.設置葉片轉速
使用相對速度，相對所在域的轉速為0r/min.
7.設置入口條件
8.設置出口條件
9.設置交界面
10.初始化后開始計算
11.空化仿真基本設置
進行空化仿真時，多相流模型需要使用Mixture模型；
需要添加氣相材料。并定義液相到氣相的空化效應；
四、基本結果
1.兩相流仿真結果
2.空化仿真結果
氣相分布圖
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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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