计算流体力学--多相流仿真专题（第二章）

CAE大拿

第二章 自由表面流的仿真（1）  

     多相流仿真中应用频率最高的是自由表面流的仿真。它适用于诸如气液二相流，液液二相流，气液固三相流等各种各样需要模拟的流动。由仿真得到的界面运动，也可以与可视化实验结果加以比较而得到验证。

     自由表面流的仿真可以分为界面捕捉法（Interface capturing  Method）和界面追踪法（Interface Tracking Method）两大类。如图2.1所示那样，所谓界面捕捉法，就是把表示界面的函数，让其随流体迁移流动，从而来模拟界面运动。界面捕捉法含有MAC法（Marker and Cell），LS法（Level Set）和VOF法（Volume of Fluid）等多种方法。

     另一方面，界面追踪法是根据界面元素的变形，来分析模拟界面的运动，如图2.2所示。界面追踪法有ALE法（Arbitrary Lagrangian and Eulerian）等等。此外，粒子法（Particle Method）也可认为是一种界面追踪法。

图2.1  界面捕捉法

图2.2  界面追踪法

　     两者比较而言，界面追踪法能够高精度地模拟界面的运动。然而，在使用界面追踪法时，随着界面的变动，必须重新生成元素。如果界面的变动过大，就可能生成扭曲的元素，使计算变得不稳定。当然这也可以通过增加元素分割的数目来避免，这样一来，就会进一步增加计算的工作量。

　      现在，大多数流体的仿真软件都采用VOF法来模拟自由表面流。其理由列举如下：首先，在1970年代，由著名的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（即Los Alamos National Laboratory，该所于2013年迎来了成立七十周年的庆典）开发了一个程序代码为SOLA-VOF的软件，并把它公开了，从而使VOF法得到了广泛的应用和普及。另外，运用VOF法，不必重新生成元素，计算程序也不复杂，即使界面的变动很大，计算还能稳定进行直到问题解算完成。

　     那么，这一次也来介绍一个仿真模拟的具体案例吧。这里要说的是气提式水泵，它可以用来在水井和温泉吸水，在净化水池抽水等等。我们用属于界面捕捉法的MARS法（Multi-interface Advection and Reconstruction Solver）对其自由表面流进行模拟。

      气提式水泵的设计已有200年以上的历史。如图2.3 所示，对安装在水面下的抽水管的下部注入空气，管内的水与空气混合，比重变小而被往上推起。这就是气提式水泵抽水的原理。由于构造简单，少有故障，至今在各个领域得到广泛的使用。其抽水量虽然可以根据空气的流入量，浸水深度，扬程等用经验公式来计算，有时也要根据不同目的而考虑是否要进一步充气。因此必须掌握抽水管内气液二相流的流型（请参照图2.4）。如果可能的话，可以通过可视化实验来观察流型。但有时也会受各种条件的限制而无法做实验。这时对流体进行仿真模拟来掌握流动型态就变得十分有效了。

图2.3 气提式水泵

图2.4 管内气液二相流的流型

图2.5 用来作仿真模拟的水泵

      这次模拟的水泵，如图2.5所示，是由抽水管（5厘米见方）和送气管（2厘米见方）构成。送气管的前端，两两错列地设置了四个空气的流入口。水泵浸入水下1米深处，要把水汲取到比水面高出10厘米的容器里去。每个空气流入口，每隔0.1秒注入流量为25L/min的空气。呈现在图2.6里的是模拟的结果。图中以等值面来表示，使气液界面可视化。混有空气的水被抽取上来，成水花状注入到容器里去，重现了水泵的工作状态。图2.7所示是抽水管中心断面的气液分布图。蓝色部分表示水，白色的为空气。根据此图，抽水管中的流动可以判断为塞状流（slag flow），您的看法呢？

图2.6 等值面图

图2.7 气液分布图

       下一次，将对VOF法作详细的解说。