VirtualFlow中的多相流模型与比较

通用流体仿真VirtualFlow 提供了比较完整的多相流模型的框架，针对界面流、混合流与离散相流体等流动问题的特点提供了相应的多相流动的模型。

• 界面流问题，提供VOF、Level Set等模型
• 混合流问题，提供基于欧拉-欧拉体系的均相模型
• 离散相流体问题，提供欧拉-拉格朗日模型

众所周知，VOF方法是界面追踪方法的代表之一，而Level Set方法与之类似，通过求解对流输运方程来追踪捕捉界面的发展。

但与VOF方法有所不同的是，Level Set方法求解的对流输运方程的输运项是一个水平集函数（符号距离函数变量），而VOF方法直接求解各相体积分数的对流输运方程。Level Set求解的符号距离函数Φ定义的是空间中的任意一点到两相界面的最短距离，那么两相界面的位置就自然处于Φ=0位置处，即零水平集位置。这样定义处理两相界面的优势在于，其界面拥有明确定义，即零水平集，不需要像VOF方法一样引入界面重构的算法，特别在界面出现拓扑变化的情况下（例如气泡破碎、聚并等）。Level Set方法对于相界面的跟踪识别的优势是非常明显的。

此外，当需要考虑流体表面张力对流动的影响时，需要明确界面的法线方向及界面曲率，此时Level Set方法相较于传统的VOF方法就可以更准确、更高效地对由于表面张力而影响的流动现象的描述。

最后在质量守恒性方面，VirtualFlow针对性采用Local+Global补偿修正，避免了早期LevelSet方法的质量守恒性较差的问题，解决了相体积不守恒的数值问题。

这里给出了VirtualFlow采用Level Set方法的数值结果与实验结果的对比案例，如下图所示。

流场底部边界为开孔平板，自孔中注入气体形成气泡并不断演化的过程。分别给出了VirtualFlow采用的Level Set方法、OpenFOAM采用的VOF方法，以及商业软件采用的VOF搭配Geo Reconstruct、耦合Level Set-VOF方法等数值模拟方法得到的仿真结果。对比下图不同时刻下两种数值仿真方法得到的气泡外形变化情况（蓝色线：VirtualFlow Level Set方法，黑色线：OpenFOAM VOF方法）与实验结果（红色线）进行了对比。

OpenFOAM VOF方法模拟结果与实验数据对比  

可以看到，Level Set方法得到的数值计算结果是与实验结果最为吻合的（上图中蓝色线为LevelSet方法的数值计算结果，红色线为实验结果），而VOF方法得到的数值结果与实验结果的差异在初始阶段尚不明显，但随着时间推进，后期差异较为明显（下图中黑色线为VOF方法的计算结果，红色线为实验结果）。

另外，我们追踪了气泡在液体中上浮过程中的气泡重心位置演化情况与实验结果的对比，如中间下图所示。图中黑色线为实验结果，绿色线为Level Set方法的数值预测结果。可以看到，在追踪气泡重心位置运动方面，LevelSet方法是与实验结果最为吻合。紫色线为耦合CLSVOF方法的计算结果，但作为相对更加复杂的算法，该方法预报的气泡重心位置却出现了实验中不存在的往复震荡现象，计算效果并不佳。

对于N相混合流动，VirtualFlow具备Mixture多相流动模型。在Mixture多相流动模型实现中，VirtualFlow主要具备以下特色：

第一，可以实现气液固任意组合；

第二，提供丰富的相间作用力模型，可以实现相间相互作用的自由控制，且自由控制相间互相掺混的溶混性设置。在相间相互作用力方面，VirtualFlow集成了曳力、升力以及壁面润滑力等相关常用模型；

第三，提供了悬浮态（粘度）模型，这一模型在采用双流体模型对流化床问题进行数值计算时需要被考虑，其可以在离散相体积分数接近pack-limit时对悬浮态流体介质黏度进行修正。

VirtualFlow为积鼎科技自主开发的通用计算流体仿真软件，具有领先的网格技术、丰富的多相流模型以及先进的相变模型，可以模拟单相和多相/多组分流动，可以模拟复杂流体（包含非牛顿流体、水合物），提供了面向工业用户的流体仿真解决方案，可用于水利水务、环境市政、石油&天然气、化工&过程工艺、汽车等流体仿真分析。