CFD专栏丨nanoFluidX 单相流和两相流模型如何选择？

首先需要明确的是，我们在模拟自由液面、液体晃动之类问题的时候，通常背景环境总是有空气的。

如果在SPH模型中忽略轻流体（空气），仅考虑重流体（水或油），那么在没有粒子的void区域，流体的压力和速度信息是空白的。反之，两相流模型的计算域内充满了粒子，体积守恒和Shepard coeff=1更容易保证。

考虑 Windage 效应的时候，必须采用气-液两相流，否则空气的摩擦、输运效果无法仿真。比如下面这个3000RPM单齿轮的例子，初始液位低于齿轮的最低点。由于齿轮旋转带动了空气，从而液面产生晃动。

(仿真结果动画中隐藏了空气粒子)。

这是一篇公开发表的 paper, 也是对比了传动系统中 windage 的效应。

结论是：在中高转速工况，SPH仿真模型不能忽略空气粒子的影响。

这是另外一个有高速摄影的例子（单齿轮，初始液位在中心线）。随着齿轮线速度Vt的提高，油液内的气泡尺寸和体积分数发生明显变化。搅油损失（churning loss）也随之增加。在nanoFluidX中可以考虑润滑油充气率对传动效率影响。

接下来，我们通过一个简单的模型对比一下单/两相流模型的区别。 

2D容器内注入40%油，在重力方向做往复简谐振荡。容器高度120mm, 宽度80mm, 振幅171mm，振动频率30Hz。

以下图片是最后一个振荡周期的油液位置：

一个振荡周期的动画（相对容器运动坐标系）

下图记录了液体的瞬态冲击力， 单-两相流趋势一致，但是单相流模型由于没有空气的缓冲和混合（能量耗散），峰值明显过大。从图片、动画也能看出单相流明显油液的撞击壁面速度更快一些。

虽然在高转速传动系统中采用气液两相流模型更符合物理现象，但是代价是：更多的粒子数量，更小的时间步长，和更久的等待结果时间。

低速流动的自由液面场景往往是可以采用单相流模型的，比如：车辆涉水分析，油箱晃动，水渠流动等。

在2021.2版本中nanoFuidX增加了一个新的Tartakovsky表面张力模型，改善了单相流的液滴仿真。

水体自由落体（单相流模型）

油罐车液体晃动（单相流模型）

车辆涉水（单相流模型）

明渠流动（单相流模型）

其实我们总是在仿真精度和代价之间妥协，这个过程不仅适用于SPH粒子法单/两相流的选择，它是通用的。

物理实验

设计初期：

单相流多工况计算，进行趋势性的比较。快速筛选设计方案。

设计中期：

两相流，适当的简化模型，可以定性或定量的比较。

设计末期：

详细模型，高保真度，定量比较。