多相流的案例
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 多相流在仿真中的應用和展望（下）
翻譯：趙亞 上海安世亞太CFD高級應用工程師
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編者按
上周我們談到多相流的分類及仿真方法，如果大家記憶有些模糊的話，點此鏈接來回憶上篇內容吧！接下來作者會進行案例分析和行業解決方案解析，展示ANSYS在多相流仿真領域的運用。
多相流仿真展望
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。
展開 【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 流體仿真軟件VirtualFlow：Level-set在多相流模擬中的應用
圖 4.7增加隔板對汽車油箱晃動的影響
4 結論
綜上所述，Level-set方法作為一種先進的多相流模擬技術，在各個工程領域都有著廣泛的應用前景，為解決實際工程中的多相流問題提供了有力的工具和支持，推動了相關領域的技術發展和創新。
作為一款國產自主的流體仿真軟件VirtualFlow，不僅具備先進的技術核心，還通過用戶友好的界面和靈活的功能設置，讓復雜的多相流模擬變得簡單易行。無論您是從事石油、水利、化工、航空航天還是交通運輸等領域的專業人士，VirtualFlow都能為您提供強大的技術支持，幫助您解決實際工程中的多相流問題，優化設計方案，提高生產效率，保障工程安全。
展開 多相流在仿真中的應用和展望（上）
翻譯：趙亞 上海安世亞太流體應用工程師
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編者按
作者分析了多相流的分類、仿真方法及未來發展方向，深入剖析了真實的產品案例和行業解決方案，并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解決產品設計在多相流仿真中遇到的挑戰，為企業的產品設計和生產節約成本。
無論是設計高超聲速運載工具的除冰系統、進行血液酶測試，還是輸送和熔化稀有金屬粉末化合物以進行增材制造，或是為偏遠地區配制一套過濾系統以提供潔凈的飲用水，工程師都需要考慮液體、固體和氣體之間的相互作用。在這些不盡相同的多相流應用中，每一種仿真都需要不同的建模方法。
40多年來，ANSYS開發了可以精確模擬多相流的仿真工具，已經被廣泛運用在各個工業領域，以預測產品性能。
精確的多相流仿真依賴于精確的物理模型
精確的多相流模擬依賴于各相之間的機械、熱和化學相互作用的精確預測，但是觀測這些物理過程成本高昂甚至會遇到難以觀測的問題。現在，工程師可以依靠多相流建模與仿真技術，深入了解并掌握提高效率、產量、安全性、可靠性的要素。
■ 多相流模擬可以展現隨地點位置變化的流型狀態。例如，油氣井底的流型可能完全是單相液體，但隨著高度升高，氣泡逐漸生成，流型會過渡到多相狀態。
展開 【多相流】mixture模型-連續、動量和能量方程（10）
關注公眾號：“CFD流”
1 mixture模型概述
Mixture模型是一種簡化的歐拉多相流模型，它有非常廣泛的應用。它可以用來模擬相以不同的速度運動的多相流，但假設在較短的空間尺度上是局部平衡的。該模型還可用于具有很強耦合作用和相運動速度相同的均相多相流模型，并可用于計算非牛頓流體粘度。Mixture模型可以通過求解混合物的動量、連續和能量方程、次相的體積分數方程和相對速度的代數表達式來模擬n相(流體或顆粒)的多相流。典型的應用包括：沉降、旋風分離器、低載荷的顆粒流和低體積分數的氣泡流。
在一些情況下，混合模型是歐拉多相流模型的一個很好的替代方法。當顆粒相分布較廣，或相間規律未知或其可靠性受到質疑時，完整的歐拉多相流模型可能不可行。這時一個簡化的模型，如mixture模型是一個不錯的選擇，它可以類似于完整的多相流模型那樣求解，但求解的變量比完整的多相流模型更少。mixture模型允許選擇顆粒相并計算顆粒相的所有屬性，這適用于液固流動。
Mixture模型的局限性
必須使用壓力基求解器。Mixture模型不適用于密度基求解器；
只有一種相可以被定義為可壓縮的理想氣體。但在用戶定義函數中使用可壓縮流體沒有限制；
在使用mixture模型時，不要以指定的質量流量對沿流向的周期性流動進行模擬；
不能用mixture模型模擬凝固和熔化；
Singhal等人的空化模型(可用于混合模型)與LES湍流模型不兼容；
不能將相關公式與MRF和mixture模型結合使；
Mixture模型不允許無粘性流動；
當DPM模型與mixture模型聯合跟蹤粒子時，無法選擇共享內存方法。(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。)
展開 下午直播 | Ansys Fluent 2021 R1多相流新功能介紹
多相流是現代流程工業以及相關科研領域常見的現象，多相流系統結構的不均勻性、流域的多態性以及流型的多變性，致使得多相流的研究仍然是具有挑戰性的工作，Ansys Fluent不斷引進模型和方法幫助廣大工程師和學者一同攻克工程以及學術難題。
FLUENT多相流高級培訓
海基研發埠CAE培訓中心將于2013年6月8-9日在北京舉辦FLUENT多相流高級培訓課程大綱如下：
[p=25, null, left]第一章
多相流流體力學概述
1. Introduction to mutliphase Fluid Mechanics 多相流流體力學簡介
2. Governing Equations of Fluid Mechanics流體力學控制方程
2.1 Particle motion description in Lagrange frame 拉格朗日框架粒子運動學描述
2.2 Particle field description in Euler frame 歐拉框架粒子場描述
3 physical charater of multiphase flow 多相流物理特征
4、Guide of Multiphase model application in FLUENT FLUENT多相流模型應用引導
[p=25, null, left]
[p=25, null, left]第二章 DPM 模型
1. Introduction to DPM model DPM模型簡介
2. particle charater 粒子特征
3. the method of computing particle track 粒子軌跡計算方法
4. turbulence model 湍流模型
5. Boundary condition 邊界條件
6. interaction of fluid and particle 流體與顆粒的耦合
7.
展開 【多相流】時間格式和收斂性（4）
此外，Fluent還可以在歐拉多相流公式中求解分層不混相流體。這個特性類似于單一流體VOF法，但有多個速度。
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
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。
例如，采用積鼎VirtualFlow混合流模型+原油/非牛頓流體模型模擬油井區域多相流動，通過捕捉段塞流、分析設備磨損、預測深海石油泄露和管道堵塞等問題，為油井區域的安全生產和優化提供重要依據。
2.
展開 多相流測量：ECT測量濃度與速度
圖5 傳感器實物圖
ECT特點
采用ECT系統進行多相流的測量，主要有如下特點：
□ 非侵入式測量，僅需在原有管段基礎上連接傳感器管段即可完成測量，不影響被測流場內的介質分布和運動狀態，確保結果真實；
□ 可獲得測量段截面上的多相流濃度分布，而非單點測量，可用于多相流流型的判斷；
□ 傳感器制作比較靈活，可以匹配較大范圍內的管段直徑規格（10mm-1m）；
□ 傳感器可適應較大范圍內的溫度和壓力測量環境；
□ 快速結果處理與輸出，可實現實時成像；
□ 通過布置兩個連續的電極傳感器，進行相關性分析，可以獲取單向的速度。
ECT應用
ECT系統可應用于多相流過程可視化與測試，幫助用戶實時了解管段內的多相流濃度分布并判斷流型，對于多相流的研究具有重要意義。
展開 ANSYS FLUENT 多相流模型 附ANSYS Fluent Customization
但在多相流系統中相的概念意義更廣泛。在多相流中，相被定義為一種對浸沒其中的流體及勢場有特定的慣性響應及相互作用的可分辨的物質。例如，同一種物質的不同尺寸顆粒都可以被看作不同的相，因為相同尺寸的顆粒集合對流場具有相似的動力學響應。
多相流具有多種存在方式，以兩相體系為例，可分為：氣液多相體系；氣固多相體系；液固多相體系；不相溶的液液體系。
FLUENT中的多相流模型
ANSYS FLUENT 提供了豐富的多相流模型，被廣泛應用于能源化工、環境工程、冶金礦山、汽車、航空航天、農業、醫療等各個行業：
? Lagrangian Dispersed Phase Model (DPM)
? Volume of Fluid model (VOF)
? Eulerian Model
? Mixture Model
DPM模型：追蹤離散顆粒的運動軌跡，如噴霧干燥爐、煤粉爐、液體燃料噴霧燃燒等，顆粒噴入后，可以和連續相間進行熱量、質量和動量的傳遞；
FLUENT中引入的DDPM模型和EDM模型，更有效的考慮了顆粒間的相互碰撞和彈性力等因素，能很好的模擬密相顆粒流。
展開 一篇多相流review獻給大家，JCP編輯向我邀稿！
首先，多相流模擬相對于單向流模擬一直都不是很成熟。模擬多相流的小伙伴們，這是個好事，這表明，咱們有的玩。要是很成熟了，也基本沒什么玩的了。多相流再摻雜湍流，那更是不好搞。不成熟的方面主要有：
模型不成熟，比如各種曳力模型，升力模型，破碎模型等；
求解算法不成熟，比如在CFD求解多相流模型中如何保證相分數嚴格的小于1大于0；歐拉拉格朗日那面需要顆粒大小小于網格大小；
體系復雜性，氣液、液液、氣固體系的模型不同，即使氣固也分為稠密和稀疏；其他等
顆粒的分布函數，是直接跟蹤？還是直接舍棄？
由于CFD模型在多相流這面遠不成熟，在多相流比較常見的工業（如石油化工、船舶水動力、食品、核工業等），CFD應用的還不如單相流（如汽車飛機、建筑、傳熱等）廣泛。這可能是個壞事，這表示就業機會沒有單相流CFD行業多。有好有壞。
聊聊多相流的CFD模型
多相流中區分為多個相。比如空氣是一相、液滴是一相。也可以稱之為氣相、液相或者固相。參考上圖。多相模擬主要分為界面類模型（如VOF、front-tracking）和高相分數多相流模型。二者的區別非常簡單：
如果你需要氣泡的形狀，波浪的表面，你就需要捕獲氣泡或者波浪的界面，因此你需要使用界面跟蹤類模型。比如下面這個圖，就是界面重構出來的氣泡界面，明顯你可以看出來氣泡的形狀。
如果你的泡泡特別多，并且你不在乎氣泡的形狀是什么樣的，你只在乎我的水里面有多少空氣（氣含率），那么這種情況適用于高相分數多相流模型。其不能預測出氣泡的形狀。下面這個圖是用高相分數多相流模型模擬的，很明顯，看不出來氣泡的形狀。
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