加载中…FLOW-3D两相流VOF方法介绍
(2019-03-08 21:37:32)
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两相流vof两相流vof |
分类： FLOW-3D实例应用 |
PS：原文来自FLOW-3D官网，翻译加入了部分个人理解，不妥之处请留言指出。
在数值模拟中，自由表面就是气体和液体的交界面，气体只对液体施加压力。当气液的密度比在1000以上时，数值模拟对自由表面的捕捉往往是比较精准的。反之误差会比较大。
Flow-3D中的VOF
Flow-3D软件对于自由表面的计算也是采用VOF方法，这个方法是Nichols和Hirt两个人在1975年提出的。在1981年的时候这二人有对VOF方法进行了完善，基本是沿用至今了。VOF方法有三个部分组成：一种自由表面定位的方案、一种通过计算网格捕捉自由表面的算法、一种在自由表面应用边界条件的方法。
Pseudo VOF
目前，许多商业CFD软件都声称具有VOF算法，而实际上他们只是实施了上文提到VOF方法三个部分中的一个部分或者两个部分。用户在使用这样的VOF算法时也会体会到一点，那就是往往给不出正确的模拟结果。
大多数Pseudo VOF方法都使用流体体积分数来追踪自由表面，并且尝试同时去计算液体和气体区域的流动，而不是通过边界条件来计算气体区域，这种算法会产生自由表面错误的运动，因为算法中假设自由表面随气体和液体的平均速度移动。而在现实中，两种流体的运动通常是相互独立的，除非是很薄且粘稠的边界层。
truVOF vs. Pseudo VOF 算例
这里用一个简单的算例来说明自由表面的计算结果。模拟都是用FLOW-3D软件进行的，FLOW-3D中有一个双流体的pseudo-VOF方法。想象一下从一个狭缝中以恒定速度喷射出的水，如果我们忽略掉重力，并且使射流的速度保持较低的速度（例如100mm/s）,可以想象的到，射流的流动基本不受空气的阻碍作用，如图一，用Flow-3D软件中的TruVOF方法计算得到的正确的射流情况。
图二为其他CFD软件用pseudo-VOF方法计算得到的射流结果，其头部发生了变化，这种变化是物理的，与空气的密度无关（例如，液体和气体密度比为100、1000和10000的时候，射流头部形状基本不变）。
射流再往下发展，流体会撞击到壁面上，图三为用Flow-3D软件中的TruVOF方法计算得到的正确的射流碰撞壁面的情况，会有一小部分流体射进到了槽中。
相反，用pseudo-VOF方法计算时，由于低密度气体的流动使得液体在喷射到壁面之前就被吸入到槽中（如图4所示）。而且由于气体的不可压缩性，流出槽的液体量必须等于注入量，因此多数物理情况下流入量会比预期的要多。
Pseudo-VOF可以应用到某种高阶对流格式来追踪自由界面，这种界面表示为密度的快速变化。这样的计算格式会导致气体和液体界面的平滑过渡，交界面会覆盖多个网格单元，而不像原始的VOF方法中那种sharp的自由界面基本可以定位到一个网格单元中。大部分人之所以不实施自由表面边界条件法，是因为他要求对现有程序的结构进行重大改变，为了避免数值不稳定，因此必须谨慎进行。
Flow-3D成功植入了VOF的三个部分。值得一提的是，针对这三个部分，Flow-3D软件都做了重要的改进以实现计算效率和数值稳定。
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