在當(dāng)今的工業(yè)領(lǐng)域，多相流現(xiàn)象無處不在，從石油開采中的油氣水三相流動(dòng)到日常生活中簡(jiǎn)單的水流注水過程，都涉及到復(fù)雜的多相流行為。準(zhǔn)確地模擬和分析這些多相流的流動(dòng)行為，對(duì)于優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率以及保障安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義。

 

然而，傳統(tǒng)的單相流模擬方法顯然無法滿足多相流問題的需求，因?yàn)槎嘞嗔魃婕暗讲煌嘀g的復(fù)雜界面相互作用、相間傳熱傳質(zhì)以及拓?fù)渥兓痊F(xiàn)象。幸運(yùn)的是，Level-set方法作為一種有效的界面捕捉技術(shù)，為多相流的數(shù)值模擬提供了一種有力的工具，而上海積鼎信息科技有限公司自主研發(fā)的VirtualFlow軟件，正是基于這種先進(jìn)方法的專業(yè)多相流仿真軟件。

 

1  Level-set模型介紹

 

1.1  基本原理

 

界面追蹤方法通常用于兩種或多種不互溶流體的自由界面流動(dòng)（可以是液-液或者氣-液體系），流體之間由清晰的界面分隔，并且界面隨時(shí)間變化。界面追蹤/捕捉方法是一種通過追蹤某個(gè)場(chǎng)的變化來確定和追蹤界面的方法。該方法對(duì)整個(gè)計(jì)算域求解一個(gè)輸運(yùn)方程，然后把兩相流體視作具有變化物性的單一流體。這些物性的變化通過相標(biāo)記函數(shù)x（x，t）的輸運(yùn)來考慮

1.2  特色與優(yōu)勢(shì)

 

 （1）界面捕捉能力強(qiáng) ，Level-set方法能夠自然地處理復(fù)雜的界面變形和拓?fù)渥兓缫旱蔚姆至?、合并以及氣泡的形成和破裂等，無需對(duì)界面進(jìn)行顯式的參數(shù)化處理，避免了在處理復(fù)雜界面問題時(shí)可能出現(xiàn)的網(wǎng)格扭曲和計(jì)算困難等問題。

 

  （2）物理量計(jì)算準(zhǔn)確，通過光滑的Level-set函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算界面處的幾何量，如法向量、曲率等，從而能夠更精確地模擬表面張力等物理效應(yīng)，更好地反映多相流的實(shí)際物理過程。

 

2.水瓶注水VirtualFlow算例設(shè)置

 

2.1軟件概述

 

VirtualFlow是由積鼎公司自主研發(fā)的一款專業(yè)的多相流仿真軟件，它基于Level-set方法等多種先進(jìn)的數(shù)值算法，能夠?qū)Χ喑叨?、多流體的層流和湍流氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行精確的數(shù)值模擬，在工業(yè)領(lǐng)域的多相流問題研究和工程應(yīng)用中得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。

 

2.2算例設(shè)置步驟

 

（1）模型建立

 

根據(jù)具體的水平注水場(chǎng)景，構(gòu)建相應(yīng)的計(jì)算模型，包括水瓶的幾何形狀、注水口的位置和尺寸等。在VirtualFlow中，可以通過導(dǎo)入CAD模型或使用其內(nèi)置的建模工具來創(chuàng)建三維模型，并將模型設(shè)置為流體域或者固體域，隨后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

 

圖 3.1導(dǎo)入幾何，將模型設(shè)置為流體域

 

（2）網(wǎng)格劃分

 

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)模擬結(jié)果的精度和計(jì)算效率有重要影響。在VirtualFlow中，可以采用IST進(jìn)行網(wǎng)格劃分。并通過縮減網(wǎng)格塊，減少網(wǎng)格量。

 

圖 3.2網(wǎng)格設(shè)置及縮減網(wǎng)格塊

 

（3）物理模型設(shè)置

 

VirtualFlow提供了豐富的物理模型用于求解不同類型的流動(dòng)問題。由于本算例為二維模型，僅需要求解壓力、U速度、V速度即可；需要考慮重力作用的影響；對(duì)于水瓶注水這種不可壓縮的氣液兩相流動(dòng)，可以選擇Level-set多相流模型。

 

圖 3.3設(shè)置求解方程、重力矢量及Level-set模型

 

（4）相屬性定義

 

指定水和空氣的物理屬性，如密度、粘度、表面張力系數(shù)等。在VirtualFlow中，可以從材料庫中選擇常見的流體材料，也可以根據(jù)實(shí)際需要自定義材料的屬性參數(shù)。準(zhǔn)確的相屬性輸入有助于提高模擬結(jié)果的真實(shí)性。

 

圖 3.4設(shè)置相屬性，在物性庫中選擇Air及Water Liquid

 

（5）邊界條件設(shè)置

 

定義合理的邊界條件是保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對(duì)于水瓶注水問題，需要設(shè)置注水口的流入速度或流量邊界條件，以及水瓶出口的壓力邊界條件等，由于出入口在同一平面，需要先創(chuàng)建子邊界，隨后設(shè)置入口、出口邊界條件。

圖 3.5創(chuàng)建子邊界，并設(shè)置入口出口邊界條件

 

（6）初始條件設(shè)置

 

確定初始時(shí)刻流場(chǎng)的狀態(tài)，包括流體的初始速度、壓力分布以及Level-set函數(shù)的初始值等。在水瓶注水算例中，通過高級(jí)初始化功能實(shí)現(xiàn)以下條件：初始時(shí)刻水瓶?jī)?nèi)可以為空氣，注水口處具有一定速度的水流進(jìn)入，此時(shí)Level-set函數(shù)在水瓶?jī)?nèi)部的初始值應(yīng)根據(jù)流體的初始分布進(jìn)行設(shè)置，以正確地標(biāo)識(shí)出水和空氣的相界面位置。

 

圖 3.6編寫高級(jí)初始化文件，并編譯、初始化，完成整個(gè)高級(jí)初始化流程

 

（7）計(jì)算設(shè)置

 

本算例采用瞬態(tài)求解，模擬整個(gè)注水過程。根據(jù)計(jì)算模型的特點(diǎn)和精度要求，設(shè)置合適的求解器參數(shù)，如時(shí)間步長、收斂準(zhǔn)則、松弛因子等。時(shí)間步長的選擇需要在計(jì)算精度和穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡，過小的時(shí)間步長會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長，而過大的時(shí)間步長可能會(huì)引起數(shù)值振蕩或計(jì)算發(fā)散；收斂準(zhǔn)則則用于控制方程求解的精度，通常根據(jù)殘差的大小來判斷是否收斂。

 

圖 3.7設(shè)置時(shí)間步長及相關(guān)參數(shù)，方程參數(shù)可保持默認(rèn)

 

（8）計(jì)算過程與結(jié)果輸出

 

在完成上述設(shè)置后，啟動(dòng)計(jì)算過程，求解器將根據(jù)設(shè)定的邊界條件、初始條件和求解器參數(shù)，通過迭代計(jì)算逐步求解流場(chǎng)的演變過程。當(dāng)計(jì)算達(dá)到設(shè)定的時(shí)間步數(shù)或滿足收斂條件時(shí)，計(jì)算結(jié)束，此時(shí)可以輸出相關(guān)的計(jì)算結(jié)果，包括二維或三維的流場(chǎng)分布圖、速度矢量圖、相界面演化圖等，以便對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化分析。

 

圖 3.8輸出流體密度云圖

3.工程應(yīng)用

 

3.1石油工程

 

在石油開采過程中，注水開采是一種常見的二次采油方法，通過向油藏中注入水來驅(qū)替原油，提高原油的采收率。Level-set方法可以用于模擬注水過程中的油水兩相流動(dòng)，幫助工程師更好地理解油水在油藏孔隙介質(zhì)中的滲流規(guī)律，預(yù)測(cè)注水波前的推進(jìn)速度和形態(tài)，以及優(yōu)化注水方案，提高注水效果和原油采收率。此外，在石油工程中還涉及到諸如油井井筒內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)、油氣水三相分離等多相流問題，Level-set方法也可以為這些設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

 

圖 4.1臥式三相分離器模擬

 

3.2水利工程

 

潰壩是一種常見的水利工程災(zāi)害，當(dāng)壩體突然破裂時(shí)，大量的水體快速下泄，會(huì)對(duì)下游地區(qū)造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和人員傷亡。利用Level-set方法可以對(duì)潰壩過程中水流的演化過程進(jìn)行模擬，包括壩體破裂后的流體運(yùn)動(dòng)、水面形狀的變化以及流體與河床、障礙物等邊界的相互作用等，從而為潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、洪水預(yù)警和防洪措施制定提供重要的依據(jù)。同時(shí)，在水利工程建設(shè)中的其他多相流問題，如水庫的水位調(diào)節(jié)、泄洪建筑物的水流流態(tài)分析、水利樞紐中的泥沙輸移等，Level-set方法也能夠發(fā)揮重要作用，幫助工程師優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，提高工程的安全性和運(yùn)行效率。

 

圖 4.2溢洪道場(chǎng)景

圖 4.3潰壩場(chǎng)景

 

3.3化工領(lǐng)域

 

在化工生產(chǎn)中，許多化學(xué)反應(yīng)過程都涉及到多相流現(xiàn)象，如氣液反應(yīng)、液液萃取、氣液固三相流化床反應(yīng)等。Level-set方法可以用于模擬這些過程中的相間傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象，幫助研究人員深入理解反應(yīng)過程的物理化學(xué)機(jī)制，優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作條件，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在液液萃取過程中，通過模擬兩相液體在萃取設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)和混合情況，可以確定最佳的設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的萃取分離過程。

 

圖 4.4攪拌反應(yīng)釜場(chǎng)景

 

3.4航空航天

 

在航空航天領(lǐng)域，Level-set方法可用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中的多相流現(xiàn)象，如燃油霧化過程。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，燃料和氧化劑以高速從噴管噴出，在燃燒室內(nèi)形成復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)區(qū)域。此外還可以模擬管路注水、燃油系統(tǒng)油箱晃動(dòng)等場(chǎng)景。

 

圖 4.5精細(xì)化求解霧化問題

圖 4.6機(jī)翼油箱晃動(dòng)

 

3.5 交通運(yùn)輸

 

以汽車油箱晃動(dòng)為例，在車輛行駛過程中，油箱內(nèi)的燃油會(huì)因車輛的顛簸、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生晃動(dòng)，這不僅會(huì)影響車輛的操控性能和燃油供應(yīng)系統(tǒng)的正常工作，還可能產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)等問題。利用Level-set方法可以對(duì)油箱內(nèi)的燃油晃動(dòng)過程進(jìn)行模擬，分析燃油的液面變化、晃動(dòng)頻率、流體動(dòng)力學(xué)特性等，從而為油箱的設(shè)計(jì)優(yōu)化、車輛的懸掛系統(tǒng)調(diào)整以及燃油供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制提供依據(jù)，提高車輛的行駛安全性和舒適性。

 

圖 4.7增加隔板對(duì)汽車油箱晃動(dòng)的影響

 

4 結(jié)論

 

綜上所述，Level-set方法作為一種先進(jìn)的多相流模擬技術(shù)，在各個(gè)工程領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，為解決實(shí)際工程中的多相流問題提供了有力的工具和支持，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新。

 

作為一款國產(chǎn)自主的流體仿真軟件VirtualFlow，不僅具備先進(jìn)的技術(shù)核心，還通過用戶友好的界面和靈活的功能設(shè)置，讓復(fù)雜的多相流模擬變得簡(jiǎn)單易行。無論您是從事石油、水利、化工、航空航天還是交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的專業(yè)人士，VirtualFlow都能為您提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，幫助您解決實(shí)際工程中的多相流問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高生產(chǎn)效率，保障工程安全。