多相流在仿真中的应用和展望

来源：安世亚太微信公众号（ID：Peraglobal），作者：赵亚 上海安世亚太公司。

无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试，还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造，或是为偏远地区配制一套过滤系统以提供洁净的饮用水，工程师都需要考虑液体、固体和气体之间的相互作用。在这些不尽相同的多相流应用中，每一种仿真都需要不同的建模方法。

1. 精确的多相流仿真依赖于精确的物理模型

精确的多相流模拟依赖于各相之间的机械、热和化学相互作用的精确预测，但是观测这些物理过程成本高昂甚至会遇到难以观测的问题。现在，工程师可以依靠多相流建模与仿真技术，深入了解并掌握提高效率、产量、安全性、可靠性的要素。

• 多相流模拟可以展现随地点位置变化的流型状态。例如，油气井底的流型可能完全是单相液体，但随着高度升高，气泡逐渐生成，流型会过渡到多相状态。因此，在此类物理过程中，不同的地点位置需要设置不同的多相流模型。

• 多相流模拟比单相流模拟的难度更高。完整描述多相流需要求解每一相的质量、动量和能量方程，以及各相之间的相互作用。由于物理现象的多样性和多种流型同时存在的可能性，各相之间的合理模拟变得至关重要。

油气井底部可能完全充满液体，但在上升过程中，压力下降，由于溶解气体析出，流型将过渡到气泡流。油气井仿真需要多种多相流模型精确的模拟不同井深处的特殊流型。

2. 自由表面流

自由表面流包括两种或更多种不混溶的流体，每种流体被假定为在大部分流域具有连续性特征。每种流体有明显可识别的流动区域，这些区域的形状和位置会随时间变化。这些流动区域比较大，在VOF模型中，可以被多个网格单元覆盖，并求解各相之间交界面的形状和位置。

• 应用包括：船舶在水中的运动、溃坝、燃料箱晃动、分层流、段塞流（大气泡穿过管道中的液体）和喷墨打印机喷嘴处的液滴破裂等。

• VOF模型使用方法：使用VOF方法，单个固定的网格覆盖了整个流域，以此计算每一相的运动、局部体积分数，以及各相之间交界面的形状。在任一空间点，只存在一种流体相，且每个位置只有一个速度场，因此，通常只需要解决一种速度场。但在沿交界面的速度差较大的情况下，求解两个单独的速度场可以提高计算的鲁棒性和准确性。

多种不同的界面跟踪方法已被开发，每种方法都对应不同的计算准确度、计算速度和数值鲁棒性。

3. 离散相流

在离散多相流中，存在一个连续相和一个或多个离散相。

离散相由许多小的离散液滴、气泡或固体颗粒组成，分布在整个连续相中。通常，这些颗粒的尺寸比流域小很多，并且通常小于单元格尺寸。

太多的粒子数导致无法计算出单个粒子的运动状态，因此，会采用欧拉法和拉格朗日法，这是两种最常见的用于此类离散相粒子系统计算的模拟方法。

4. 欧拉模型

欧拉方法将流体-粒子系统描述为混合连续相，并求解每一相的质量、动量和能量方程。

• 液滴、气泡、粒子的轨迹不单独计算。

  
  

• 运动方程包括求解相之间拖曳力和离散多相流系统中发生的其他相关作用力。

  
  

• 计算结果通常包括每一相的本地速度、温度和体积分数。

  
  

• 交界面形状不被单独计算。

  
  

欧拉多相流模型有几种变体：在各相之间的速度差相对较小的情况下，通常可以仅求解一个混合物运动方程（而不是每一相的运动方程）来简化模型。模型中可以包含气泡或液滴的破裂和聚并，计算其尺寸分布。对于液体或气体中的固体颗粒，欧拉-颗粒模型可以计算粒子碰撞、摩擦和堆积密度的影响。

5. 拉格朗日模型

拉格朗日粒子跟踪方法可计算出单个颗粒、颗粒包、液滴或气泡在连续相中的运动轨迹线，它也被称为离散相模型 (DPM)。

• 在实践中，此方法适用于当颗粒或液滴体积占比较小的情景——通常少于10％。

  
  

• 如果粒子总数太大而无法计算，可以只计算具有统计显著的颗粒包来简化模型。

  
  

• 颗粒对连续相的影响可以计算评估（反之亦然）。

  
  

• 质量输运效应，例如：蒸发和冷凝以及、化学反应——燃烧等也可以计算模拟。

6. 颗粒流

密集离散相模型 (DDPM) 和离散元素模型 (DEM) 用于模拟颗粒的流动。

7. 稳态和瞬态仿真

多相流计算可以是稳态的，也可以是瞬态的。

稳态计算适合最终结果与初始条件无关、并且各相入口边界差异较大的物理过程。通常，将其他多相流物理现象建模为与时间有关的物理过程。由于需要求解额外的方程式，并且做瞬态模拟，多相流模拟计算量非常大。ANSYS CFD提供了高效的并行计算方法，从而使多相流模型计算保持在合理的时间范围内。

他们将融入并模拟更多的物理模型：物化反应、运动物体、高速、尺寸变化、相变和热交换，并解决更大规模物理系统的问题。例如，一家能源生产商对油水重力分离器进行了模拟，网格总数超过10亿个单元。

除了石油和天然气，化工、电力、汽车、航空航天和海工装备等工业领域，也在更多地应用多相流模拟。

例如，泳装生产厂商Speedo应用多相流模拟优化护目镜设计。相比于游泳者体型，液滴尺寸非常小，护目镜模拟需要高精度网格捕捉液滴作用力。水膜厚度至少需要10个网格单元解析计算，进而导致网格总数急剧增加。

Speedo应用多相流模拟设计高性能泳镜，由Speedo提供。

多相流仿真案例分享：全自动洗碗机

为了优化全自动洗碗机的能量使用效率和用水量，工程师运用多相流和多物理场模拟多种流型变化：从旋转臂上的喷嘴喷出的射流、射流飞溅在餐具上形成水膜、液膜或水滴从餐具上滑落以及旋转臂下的积水过程。他们使用ANSYS Fluent的拉格朗日方法模拟了水喷射流以及液滴从旋转喷射臂到餐具的完整运动过程。

• 拉格朗日液膜模型准确模拟了喷射水流冲击餐具形成薄膜的过程，并可计算薄膜厚度、覆盖率以及其受喷射臂设计因子的影响。

  
  

• VOF模型用于模拟重力引起的流动以及液膜和液滴滑落到洗碗机底部积水池的过程。

  
  

• 蒸发和冷凝模型模拟了干燥过程。

全自动洗碗机的多相流模拟只是其完整的多物理场系统仿真的一部分，完整仿真流程还包括：ANSYS SpaceClaim快速创建初始模型和多种替代设计模型；ANSYS Mechanical进行线性和非线性仿真，以流致振动、噪音和疲劳性能为目标，优化结构设计；ANSYS Electronics and Systems提供电机、控制显示和传感器相关解决方案。

全自动洗碗机的瞬态多相流仿真需要多种不同的模拟功能：喷雾、液膜、体积分数、相变等。