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计算流体力学--多相流仿真专题(第一章)

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发表于 2018-1-22 09:52:55 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 中国
本帖最后由 CAE大拿 于 2018-2-9 10:34 编辑

第一章 前言及概述
     在这一期专栏里,我们将介绍多相流的数值仿真。那么,什么是多相流仿真呢?作为一个理科用语,它并不是一个形象化的词汇,而是来自英语multi-phase flow simulation。中国在1992年10月成立了多相流测试专业委员会,已经举行了多次学术会议,推动了多相流测试技术的发展;同时,中国工程热物理学会每年都会组织多相流学术研讨会,以促进多相流测试与仿真技术的发展。
      多相流仿真中的“相”,是指气相,液相和固相,也就是物体存在的三种状态:气体,液体及固体。 “多相”就是把三相混合在一起的状态。根据相数不同,如图1.1所示,可分为气液二相,固气二相,固液二相和气液固三相。另外,对于像水和油那样互不相融的混合液体,也可以归之为多相流,称作液液两相流。所谓多相流的仿真,就是以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics 即CFD)为手段,对处于多相状态的流体的流动进行仿真模拟。近来一般把CFD就称做流体的模拟仿真。
图1.1 多相的分类
    首先,我们举几个实例以便使大家对多相流仿真有一个具体的概念。图1.2中的“牛奶王冠”现象,就是一个气液两相流仿真的具体实例。这是液滴滴入液体,与薄薄的液膜冲突的瞬间所溅起的王冠状的液体,用高速摄影机可以捕捉到相关现象。呈现于图中的,就是对含有空气(气相)和液体(液相)界面的自由表面流动(Free Surface Flow)的仿真结果。

图1.2 牛奶王冠现象
     作为气固二相流的仿真实例,图1.3是一个气旋式分离器的示意图。这是一种利用离心力把空气和粉状物体分离的装置,应用于气旋式吸尘器。图1.3中,一方面对空气(气相)的流动进行仿真,同时对粉状物体(固相)用粒子追踪法(Particle Tracking Method)来模拟

图1.3 气旋式分离器
     图1.4所示的制冰过程是固液二相流的一个仿真实例。图中透明部分代表水,白色的部分则为冰。为了进行仿真,需要对冰水的凝固融化,即固相和液相之间的相变化,建立一个物理模型。

图1.4 制冰
     图1.5所示的那样,把油滴注入水中,然后徐徐上升的现象,可以作为液液二相流的仿真实例。根据油滴数的多少,有必要对仿真方法进行讨论,并作相应的改动。在图1.5的结果中,对含有分界面的自由表面流动进行仿真模拟时,考虑了表面张力的影响。

图1.5 水中的油滴
     展示于图1.6的熔融金属的凝固过程可以作为气液固三相流的仿真实例。空气(气相),熔融金属(液相,图中红色部分)和凝固金属(固相,图中灰色部分)三相共存。图中所示是自由表面流的模拟和凝固熔化的物理模型相组合而得到的仿真结果。

图1.6 熔融金属的凝固
        上述示例,展示了几种典型的可用仿真技术解决的多相流案例,然而很多的多相流现象非常复杂,并不是所有的多相流现象都能够通过仿真技术解决。然而,随着计算机硬件及软件技术的发展,越来越多的多相流问题可用模拟仿真技术来解决。
         下一次我们将介绍在多相流仿真中使用频率较高的自由表面的仿真方法。

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