Fluent｜使用VOF-to-DPM模型模拟液相射流从连续相破碎至颗粒相的过程

本文摘要（由AI生成）：

文章介绍了新版Fluent软件中VOF-to-DPM模型的应用。该模型结合了VOF和DPM方法的优点，能够更准确地模拟液相破碎过程。在喷雾密集区域，VOF方法可以更好地预测液相破碎过程，但需要更高的网格分辨率和更小的时间步长。在喷雾稀疏区域，DPM方法可以跟踪液滴运动轨迹，但忽略体积置换可能会影响计算精度。VOF-to-DPM模型可以自动探测脱离液相核心区域的液体，并在满足用户指定转化标准后将其从VOF模型中移除，转化为拉格朗日粒子包。

新版本的Fluent提供了利用VOF-to-DPM模型以模拟液相射流从连续相破碎至颗粒相的过程。本文译自Fluent User Guide。

1 VOF-to-DPM模型

研究气体中的液相分散相时，通常可以采用两种多相流方法：

• 在欧拉-拉格朗日方法体系中，通过domain来跟踪离散液滴。粒子跟 踪器利用单个液滴的物理属性来考虑离散相与连续相之间的质量、动量、能量及组分交换。计算过程中忽略液滴引起的气相体积置换。此方法允许网格尺寸比液滴尺寸大，因此计算成本相对较低，而且利用已有的破碎模型，可以相对准确地模拟液滴的二次破碎。然而，在喷雾密集区域，忽略体积置换可能会影响到计算精度。此外，在不包含离散球形液滴的喷雾区域，必须使用特殊的模型来预测连续液体射流的初始破裂。这些模型必须根据每个粒子入射器的工作条件从实验数据中推导出来。

• 在VOF方法中，液相体积分数存储在每个单元中。气液界面通过诸如几何重构等显式离散方法进行跟踪。VOF模型需要更高的网格分辨率及更小的时间步长，每个液滴周围的相边界必须采用用比最细的液滴还要细密的网格来求解。VOF方法可以更好的预测液相破碎过程，在该方法中气液相间的体积置换是自然而然被考虑的。然而VOF方法非常消耗计算资源。

ANSYS Fluent提供的VOF-to-DPM模型结合了上述两种方法各自的优势。在足够精细的网格上，利用VOF模型模拟预测初始射流及其破碎过程，而在喷雾稀疏区域利用DPM模型跟踪液滴运动轨迹。VOF-to-DPM模型自动探测脱离液相核心区域的液体，之后评估其是否适合进行VOF-to-DPM转换。若液相块满足用户指定的转化标准（如块大小和非球面度等），则从VOF模型中将该部分液相质量去除，并在拉格朗日体系中将该部分质量转化为颗粒包。所有用于求解气液界面的局部自适应网格细化(如悬挂节点)都会自动恢复，从而使拉格朗日粒子包可以被放置在单个大网格中。如果液体块的体积远远大于粗化网格的体积，液体块就会被转换成尽可能多的拉格朗日粒子包。在转化后的早期阶段，代表液滴的粒子团将与连续液相一起运动，但当穿过该区域时，它们的路径可能会逐渐分离。

在连续相VOF流动模拟中，将液体团块转换为拉格朗日颗粒包并不会引起体积置换。为了避免此过程产生伪动量源，VOF仿真中建立了与液块体积相同的气体体积以保持体积守恒，然而将质量源等效于气体体积的质量会影响整体质量平衡。该方法可用于燃气轮机、内燃机等类似应用场合的液体雾化模拟。

这种模拟方法通常需要较高的时空分辨率以捕捉液体射流一次雾化过程的所有相关细节。有限的计算资源将会限制该方法在喷嘴附近区域的详细分析。对于完整的喷雾系统或喷雾过程模拟，建议捕捉所有关于拉格朗日DPM粒子包的信息，并将该信息传输到单独的欧拉/拉格朗日模拟方法中，因为其允许使用更粗的网格和更大的时间步长。

这种思路是可行的，如通过使用DPM粒子采样对切割平面或计算区域的出口边界进行详细的VOF-to-DPM仿真。对于非定常粒子跟踪，为每一个穿过采样平面或边界的粒子包体系写入一个单独的文件中。该文件可以作为另一个非稳态粒子跟踪仿真的非稳态注入文件。ANSYS Fluent将在模拟时间内(注入文件中的流时间)在相同的位置中重新创建每个颗粒包。

使用DPM粒子采样创建这样一个文件的另一种方法是使用VOF-to-DPM内置功能。如果用户提供一个文件名，求解程序将为每个已转换的液体块编写一个包含信息的新文件。该文件格式与用于非稳态粒子跟踪的DPM示例文件相同。因此，它可以作为一个非稳态注入文件在一个单独的DPM仿真中被读入。

2 VOF-to-DPM模型的使用限制

模型无法用于以下场景中：

• 稳态模拟

• 多流体VOF模型（Multi-fluid VOF）

• 稳态DPM颗粒跟踪

• Level Set方法

单个块体的识别和块体性质的计算无法考虑特殊的边界条件，如对称性和周期性(包括周期非保角界面)。接触对称边界的液体块被视为附在避免上。与周期边界相交的块被视为多个独立的块。在这两种情况下，为块属性计算的值，特别是非球面性，都会受到影响。

注：VOF-to-DPM模型只能用于3D问题中。

3 设置VOF-to-DPM模型

在Fluent中设置VOF-to-DPM模型，可采用以下步骤：

• 网格划分过程中避免生成高长宽比的计算网格。在调整网格过程中，采用4~5级悬挂网格加密即可。

• 如果合适，定义动态求解-自适应(悬挂节点)网格细化。

• 在Discrete Phase Model设置对话框中，激活选项Unsteady Particle Tracking

• 创建DPM入射器，指定Start Time为一个较大的值，避免入射器向区域中注入颗粒。

• 在Multiphase Model对话框中，指定以下参数：

• 在Phase Interaction对话框中，设置Surface Tension标签页下的气液表面张力系数

• 在Solution Methods中，设置以下参数：

• 若选择Pressure-Velocity Coupling方法为PISO，则可设置Pressure及Momentum的亚松弛因子接近于1（如0.98）

• 在Phase Interaction对话框中，指定Mod.Trans'on标签页中进行如下图所示设置：

• 在弹出的VOF-to-DPM Parameter对话框中设置参数，如下图所示

• 具体参数可参阅User Guide 26.3.11.3，详细理论可参阅理论文档。

官方提供了一个相关操作案例，计算结果如下图所示。有时间也来尝试一下这模型。