【小王说流体】船舶水面运动溃坝泄洪气泡流一网打尽，midas NFX CFD多相流功能介绍!
大家好，我是小王，不是隔壁的那个小王，欢迎观看本期的《小王说流体》。记得以前很喜欢柳宗元的这首江雪：千山鸟飞绝，万径人踪灭。孤舟蓑笠翁，独钓寒江雪。飞鸟俱寂，孤身寒雪，一江一舟而已。人与江，江与舟，小船摇曳江上，皱起的江水拍打孤舟，在这莽莽江雪中一转身便是半个江湖。
那么在我们流体仿真里要计算皱起的江水拍打孤舟这个场景，就需要用到多相流的概念。在我们的计算中如果想要模拟水面的变化情况，在计算域中需要同时存在两种流体介质，分别是空气和水。计算皱起的江水拍打孤舟这个场景就是计算空气和水之间气相和液相的相互扰动与相界面的捕获，以及这些不同相在流经固体边界时的流动状态，而这些就是流体仿真中多相流的计算内容，比如下面的图1所示。
图1. 小船自由液面运动
在自然界和工程问题中我们经常会遇到大量的多相流动问题。这里的相通常指同一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质，一般分为固态、液态和气态；各相之间有明显的可分界面。
两相或多相流动必须满足的条件：必须存在相的界面；相界面必须是运动的。在广义上，将相定义为具有相同类别的物质，该类物质在所处的流场中具有特定的惯性响应并与流场相互作用，比如说可能这个系统中同时存在油和水，虽然都属于液相，但由于其在流场中具有不同的惯性响应因此也可以将其视为两个相。此外，在多相流的计算中经常需要区分主相和次相，主相通常可以认为是连续介质，在流动区域中占主要部分，主相也称基础相。次相可以认为是分散在主相中的相。在多相流中，除主相外的所有材料均为次相。可以有多种不同尺寸的颗粒次相。
图2. 不同相组合下的多相流实例
那么根据不同的相与相之间的组合情况以及流动状态可以将多相流动分为：
2、midas NFX CFD中的多相流模型
MidasNFX中针对气液两相流、液液两相流、离散相形式的固液两相流以及几种流态组合的三相流等分析提供了三种实现策略，分别是针对多相流形式的流体体积VOF模型和水平集LevelSet模型，以及针对颗粒分析的离散相DPM模型。（1）VOF模型
nVOF模型概述：属于欧拉框架下的界面捕捉方法，利用体积积分函数α划分流场中的两相界面，表示单个网格中的液体体积与该网格中总体积的比值。根据相分数可以得到界面上的单位法向量和曲率以及计算域中的密度和粘度，需要在计算中进行界面重构。n优点：质量守恒；缺点：依赖网格细化，复杂尖锐面处理不够理想。l所有控制容积必须充满单一流体相或者相的联合，VOF模型中不允许待求流体域中没有任何流体的存在。lVOF模型不能求解有关正压流体的相关计算。
（2）水平集LS模型
n水平集模型：属于欧拉框架下的界面捕捉方法，这种方法是将运动界面定义为一个函数的零等值线或等值面，然后直接求解界面运动方程。每一个时间步都要重新初始化LS方程，这些初始化的过程中总伴随着界面位置的移动，会造成质量损失，导致质量不守恒。采用的是光滑的距离函数来捕捉相界面。n优点：复杂界面处理能力强。缺点：质量不守恒，计算时间较VOF模型长。
分层流、晃动、液体中的大气泡流动、溃坝时的水流、船舶动力学中的水面扰流、大变形自由液面、三相流。l所有控制容积必须充满单一流体相或者相的联合，水平集模型中不允许待求流体域中没有任何流体的存在。l水平集模型不能求解有关正压流体的相关计算。
（3）离散相DPM模型
n离散相DPM模型：用以解释离散相中的粒子运动及其浓度分析，每个粒子都有自己的速度，并且在每个时间步长中都会以速度移动位置。在移动过程中，可能会发生物体与粒子之间的碰撞，并且可以考虑物体的表面粗糙度，应用各种碰撞条件。n粒子运动的两个阶段：第一个阶段是移动阶段，意思是粒子以各自的速度移动的过程。第二个阶段是碰撞阶段，意味着粒子碰撞或与流体发生作用而导致速度变化的过程。
体积率小于10%的气泡、液滴和粒子的负载流动、输运流、颗粒悬浮、流化床以及旋风分离器等。l当颗粒直径过小且范围相对较大时，如粉尘扩散、江河沉沙不适宜采用颗粒分析。3、midas NFX CFD中的一般多相流问题求解策略-VOF模型
A、一般流体流动求解策略
上图为NFX求解流体流动的常规求解思路，从几何建模、网格划分、CFD边界条件设置、求解设置以及后处理分析。那么除了一般流体边界设置之外，在NFX CFD求解多相流问题时的求解策略只需要在边界条件设置和求解设置中额外增加两个步骤即可完成。
B、一般多相流问题求解策略
在上述常规求解思路中，多相流问题的实现只需要进行额外的特殊流体边界与特定求解设置即可完成。第一步：定义多相模型中的相材料，VOF支持两种相的添加，水平集模型支持三种相的添加。
第二步：定义多相体积分数在进出口边界或计算域内部的进入或生成方式。第三步：没有第三步
离散相问题
第一步：定义颗粒性质，添加有关弹性模量，恢复系数以及与温度分析相关的物理量设置。第二步：定义颗粒在进出口边界或计算域内部的进入或生成方式，分别可以在颗粒生成以及颗粒分布两个选项中定义。第三步：没有第三步
②特定求解设置
第一步：勾选多相流或颗粒分析求解模块。
第二步：由于无论是VOF模型还是水平集模型均需在计算域中充满单一相或多种相，因此在计算开始前，需要定义计算域中相的初始分数以及分布情况。
第三步：如果需要考虑初始的物理场，如重力或浮力等参数或者初始流场速度压力，可以进行初始的物理场设置，如果不需要，那没有第三步
。
至此，在NFX中与多相流问题有关的求解策略就完成了，在多相流计算时还可以考虑与动网格问题联合求解，比如泄洪、闸门启开又或者导弹入水等问题。大家赶紧试试吧。
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