adv-multiphase-R140-L03-VOF

©2011ANSYS,Inc.January11,20201VolumeofFluidModelLecture2©2011ANSYS,Inc.January11,20202•模型用于模拟相间不相互融合、存在明显的相间界面的多项流–相间界面是重点关注对象•单纯由气体构成的多项流无法模拟（由于其相间混合达到了分子级别•针对典型问题:–射流破裂–液体中的大尺度气泡–溃坝–包含气-液界面的稳态/瞬态分析•当相间交界面的尺度很小（相对于网格尺寸）的时候，VOF模型将不再适用•使用细化的网格的方式可以使VOF模型仍然适用该类问题概述InterfacelengthlargerthangridVOFApplicableInterfacelengthscalelargerthancomputationalgridInterfacelengthscaleissmallerthangrid©2011ANSYS,Inc.January11,20203假设一个控制体内只包含一个相，或一个控制体内仅包含贯穿的一条相间交界面所有相之间共享同一套动量守恒方程通过在动量方程中增加源相的方式考虑相间表面张力和固体壁面上的附着力如果需要考虑湍流，各相使用同一种湍流模型jjijjiijjiijFgxuxuxxPuuxut)()()(控制方程©2011ANSYS,Inc.January11,20204使用求解各相体积含量的守恒方程来确定相之间交界面的位置：相之间的质量交换可以通过创建UDF的方式修改守恒方程中的Sk项能够求解多重相间交界面的问题（使得油气水三相分离器等问题得以进行求解）不能求解相间交界面尺度小于网格尺寸的问题控制方程kjkiktuxS©2011ANSYS,Inc.January11,20205•Solver–只适用于压力基求解器–支持稳态和瞬态计算（通常被用于瞬态计算）–大部分VOF模型的应用都伴随着重力的影响，需要打开重力选项–Non-IterativeTimeAdvancement(NITA)功能有时会与VOF模型瞬态计算同时使用VOFmodel功能©2011ANSYS,Inc.January11,20206•VOFScheme–设置连续性方程的求解方法–提供合理的控制方程离散方法是模拟多项流时的关键因素•ExplicitVOF–显式，每个迭代步中各相的连续性方程与动量、压力方程顺序求解–默认的格式VOF算法控制BegintimestepSolveMomentumandPressureSolveVOFExplicitVOFIterations©2011ANSYS,Inc.January11,20207•ExplicitScheme显式–在子时间步中求解体积分数–子时间步的数量由Courantnumber确定–默认值为0.25，该值适用性很广，一般不推荐修改VOFmodel数值算法交界面在每个时间步中重新捕捉1nTnTnT©2011ANSYS,Inc.January11,20208•ImplicitScheme隐式–每个迭代步中各相的连续性方程与动量、压力方程联立求解–瞬态和问题分析均可使用VOFmodel数值算法©2011ANSYS,Inc.January11,20209•ExplicitScheme显式–Advantages•提供VOF方程的GeometricReconstruction差分格式，该差分格式能提供较清晰，精度较高的相间交界面捕捉，同时能够降低数值扩散•当相间表面张力占主导时，高精度的界面曲率计算要求必须使用本方法–Disadvantages•网格扭曲率较大时收敛性差•如果存在可压缩流体，收敛性较差•ImplicitScheme隐式–Advantages•无Courantnumber最大值限制，使得稳态计算时能够使用更大的子时间步长，从而提供求解速度•网格扭曲率较大和存在可压缩流体时仍然能够保证较好的收敛性–Disadvantages•相间交界面处的数值耗散较大，当交界面曲率较大时难以捕捉•当表面张力占主导时不推荐使用显式—隐式格式比较ModifiedHRICGeo-reconstruct©2011ANSYS,Inc.January11,202010BGM差分格式•使用VOF模型时，BGM差分格式相对于GeometricReconstruction格式能够得到更清晰的相间界面•当然版本中，BGM模型仅适用于稳态分析SteadystateschemescomparisonSpeedHRIC~CompressiveBGMSharpnessBGMCompressiveHRICStabilityHRICCompressiveBGM©2011ANSYS,Inc.January11,202011•Implicitbodyforce–用于体积力占主导时的问题•由于各相的密度差异，导致作用在每相上的重力存在差异•存在高地旋转加速度的问题，如分离器、旋转机械–体积力使用鲁棒性更好地数值方法进行处理VOF模型输入©2011ANSYS,Inc.January11,202012•Openchannelflow选项提供了模拟明渠流的功能（流体间存在自由界面的问题）–通常用于船舶等行业–可用于模拟贯通的水系（水利行业）•FroudeNumber弗劳德数–表示惯性力与重力之比−Fr1flowissubcritical−Fr=1flowiscritical−Fr1flowissupercriticalVOF模型中的明渠流yinyoutinVgLVFr©2011ANSYS,Inc.January11,202013OpenChannelWaveBC•允许对波浪传播进行模拟–主要用于船舶行业•波浪模型有多种数值差分格式–Firstorder(LWT)•适用于水深由浅水到深水–Higherorder(NLWT)•适用于水深由中等水深到深水–使用UrsellNumber来确定无量纲的水深量级WhereH=waveheight,λ=wavelengthandh=meanwaterdepthWaveInputAnalysisThroughTUI38332LWTFor2232rrrNLWTUandUhHU©2011ANSYS,Inc.January11,202014•使用ZonalDiscretisation功能可以在不同流动区域中设置流体交界面的曲率量级•Theslopelimiter（倾斜限值）在0到2之间ZonalDiscretisation区域离散(Zone1)(Zone2)(Zone3)SlopeLimiter(Beta)SchemeBeta=0FirstOrderUpwindBeta=1SecondorderupwindBeta=2Compressive0Beta1,1Beta2Blendedschemeddf©2011ANSYS,Inc.January11,202015TurbulenceDamping湍流阻尼•Turbulencedamping:在相界面上的湍流阻尼–相界面附近的网格质量较低时，使界面附近的速度梯度过高，会造成该处的湍流强度随之增高–Turbulencedamping可以在界面网格质量较差时修正湍流强度过高的问题•仅对k-omega类湍流模型适用•额外的源相被加入到omega方程当中，从而对过高的湍流强度实现“阻尼”©2011ANSYS,Inc.January11,202016•黏着力（或附着力）是表面张力的表现形式，主要由流体中的分子相互作用产生•在连续的单相流体内，表面张力的矢量和为0•相界面上，表面张力的方向为垂直与界面向内•在相界面凹陷侧，由于表面张力的作用，该侧压力升高•表面张力的表象：流体区域外形呈气泡状、或液滴状表面张力)RR(P2111©2011ANSYS,Inc.January11,202017•为了确定表面张力是否占主导，首先取决于雷诺数的范围：•当Re1时,由毛细数判定:•当Re1时,由韦伯数判定:•We1（韦伯数：表面力与内部力的比值）•orCa1.（毛细数：黏性力和表面张力的比值）时表面张力占主导•施加表面张力的方式为：在动量方程中增加特定的源相表面张力UCa2WeLU,21qpqqqqpppppqF©2011ANSYS,Inc.January11,202018•CSF–ContinuumSurfaceForce(CSF)连续表面力法：相间界面的曲率由界面当地的法相压力梯度计算得到•CSS–ContinuumSurfaceStress(CSS)连续表面应力法相对于CSF法较为保守–该方法使用隐式形式来求解相界面曲率–使用基于表面应力的方法，使得表面张力可以是各向异性的–通常来说，CSS法相较CSF法的优越性并不明显（尤其是表面张力值非恒定时）–CSS法与CSF法均能模拟由于压力梯度和表面张力非平衡时导致的相界面“寄生流动”–表面张力的计算可使用Nodebasedsmoothing功能，用于提高界面曲率计算精度表面张力设置©2011ANSYS,Inc.January11,202019连续表面力法(CSS):算例:毛细管流动(确定网格无关性:40000,32000,2400,1600quadcells)某一时刻自由表面的位置CSFCSS模型在不同网格密度下得到的界面与壁面接触角基本保持恒定，而管道中心区域的相界面随网格密度变化较大©2011ANSYS,Inc.January11,202020•Walladhesion–壁面附着力：流体与壁面间的黏着力–能够模拟壁面附近的相界面为新月形的现象（或称之为润湿现象）•JumpAdhesion跳跃附着–当模拟多孔越阶边界附近的壁面附着时使用表面张力-壁面附着力Liquid7wGas©2011ANSYS,Inc.January11,202021•在标准的VOF模型中，相界面的曲率由各相的体积分数分布求得•界面陡峭法（Interfacesharpeningschemes）可模拟相界面曲率急剧变化（甚至不连续）的问题•当求解表面张力占主导的问题时，由体积分数得到相界面曲率的方法有可能会导致精度降低或计算收敛性下降•解决上述问题的方法−使用Levelset+VOFmethod−使用Nodebasedsmoothing，当对相界面曲率变化非常关心时•使用TUI命令来打开表面张力WorkingwithsurfacetensionNumberofsmoothingscanbeincreasedto2or3Forhighersmoothingstherelaxationfactorcanbesetto0.9Bettercurvaturecalculations©2011ANSYS,Inc.January11,202022•Levelset+VOFmethod–levelset方法由距相界面的距离决定应用范围–该方法用于计算相界面的曲率–该方法得到的相界面相较体积分数计算法平滑性更佳–在求解表面张力占主导的问题时，该方法能够得到更精确的相界面曲率值•Advantages–对表面张力占主导的问题效果更好–无VOFsmoothing要求•Disadvantages–建议与geo-reconstruct差分格式共同使用–相对于标准VOF模型，对网格质量的要求更高使用Levelset+VOFmethod©2011ANSYS,Inc.January11,202023物理量传递有多种类型•单向质量传递–恒速率质量传递–User-defined质量传递•Evaporationandcondensation蒸发和冷凝•气蚀（空穴）•化学反应增加质量/能量传递©2011ANSYS,Inc.January11,202025•使用显式格式（explicitSchemes