CFD理论|界面面积浓度
界面面积浓度(Interfacial Area Concentration)是单位体积内两相之间的界面面积大小，是预测相间质量、动量和能量传递的重要参数。当使用非颗粒次相的欧拉多相模型时，可以使用ANSYS Fluent通过以下两种方式之一计算界面面积:
使用在界面面积浓度中描述的界面面积浓度的输运方程。这考虑到气泡直径的分布和合并/破裂效应。
使用指定气泡直径和界面面积浓度之间的代数关系。
由球形气泡或液滴的表面积体积比推导出的代数界面面积模型： 其中 为气泡或液滴的直径，使用欧拉多相模型时，可用的代数模型有:
Particle Model：对于离散相p，其气含率为 ,粒子模型估计了界面面积的浓度: Symmetric Model (default):对称模型与颗粒模型的不同之处在于，它引入了互补的体积分数(对应于两相流的主相体积分数)，确保界面面积浓度在接近1时接近0： Ishii Model：只适用沸腾流，与Symmetric Model 类似，确保界面面积浓度在接近1时接近0：
在气液两相体系中，气泡的尺寸和分布会由于两相之间的质量传递而发生改变，气泡也会由于压力的变化而膨胀，气泡与气泡之间同时会发生聚并、破碎，或者成核现象。气泡群平衡模型可以描述这一现象，但是由于要求解多组输运方程，计算量较大，而界面面积浓度模型对于每一个离散相只求解一组输运方程，用平均尺寸气泡的聚并和破碎速率来代替不同尺寸气泡的聚并和破碎速率。
界面面积浓度的输运方程可以写成： 其中 表示界面面积浓度 ； 表示气含率；方程左侧的两项表示由可压缩性和传质(相变)引起的气相膨胀； 表示单位混合体积内的气相传质速率 ； 、 为由于随机碰撞和尾涡流夹带作用引起的气泡聚并汇项； 为由于湍流的影响的破碎源项。
Fluent提供两类模型：Hibiki-Ishii模型和Ishii-Kim模型描述界面面积浓度中的源项、汇项。
气泡聚并破碎的机制主要有以下几种原因：
湍流涡旋引起的气泡随机碰撞引起的聚并作用；
由湍流涡旋引起的破碎作用；
尾流涡流夹带引起的聚并作用；
大尺寸球帽型气泡剪切破碎生成的小尺寸气泡；
大尺寸球帽型气泡由于界面不稳定引起的破碎作用。
由于前三项是主要原因，因此Fluent仅考虑前三项的影响。
, 和 分别表示气泡碰撞频率、随机碰撞聚并频率和单位混合体积的气泡数目。气泡的平均尺寸为： 随机碰撞聚并频率： 由湍流涡旋引起的破碎作用： 式中 为主相湍流涡和气泡的碰撞频率， 为湍流涡作用下气泡破碎的频率， 为单位混合体积内湍流涡的数目。
由实验得到的系数经验值为： 形状因子 的默认值为6，对于球形气泡 。
其中气泡的平均波动速度 ，气泡尖端速度 是气泡直径和局部时间平均空隙率的函数： 其中 表示流体相的分子粘度， 表示重力加速度， 表示表面张力。在该模型中，当韦伯数 小于临界韦伯数 ,破碎率为0，即 。方程中相应的系数为： 注：该模型仅适用于两相流态，一相为气相，另一相为液体，即气泡塔应用。但是可以使用UDF来包括您自己的界面面积浓度模型，该模型可以应用于其他流态。Yao-Morel模型是上述两个模型的扩展，可用于模拟泡核沸腾。Yao-Morel模型对聚并项的描述为： 和 分别表示自由运动时间和聚并时间; 为气泡数密度； 为聚并效率，系数1/2是为了避免气泡之间重复计算。最终聚并项可以表示为： 其中临界韦伯数 ，系数
由随机碰撞和尾迹夹带引起的聚并汇项如下： 破碎源项如下表示： 由湍流冲击造成的破碎源项： 当包含由于在受热壁处的气泡成核的源项时，界面面积浓度输运方程需要增加一个新项：
