两相流的CFD建模

在两相流建模中可以根据相态拓扑及界面处理方式将模型大致分为界面平均模型和界面解析模型。界面平均模型适用于由大量气泡、液滴或颗粒构成的分散多相流其主要方法包括Euler–Lagrange模型以及Euler型平均模型。后者又包括均相模型、气泡流简化模型、混合物或代数滑移模型以及完整的Euler–Euler双流体模型。对于存在可辨识大尺度气液界面的流动通常采用VOF、Level Set、Phase Field、Front Tracking等界面解析方法。其中VOF和Level Set通常用于近似锐界面描述而Phase Field属于弥散界面方法。分散相平均模型成立的基本前提是存在合理的尺度分离即分散相特征尺寸应远小于宏观流场变化尺度和模型平均尺度使单个气泡或液滴的界面及局部尾流不需要被直接解析。平均体积内原则上还应包含足够数量的分散单元使体积分数、界面面积和相间作用力等平均量具有统计代表性。不过理论平均体积不能与单个计算网格简单等同模型适用性也不能仅通过气泡尺寸是否小于网格尺寸判断。当气泡尺寸接近通道尺度、气泡横跨流道或形成Taylor气泡、液塞、连续液膜或气核时即使采用粗网格分散相平均模型也难以描述其界面拓扑和局部传递过程此时通常需要采用界面解析方法或多尺度混合模型。COMSOL中的两相流模型1. 气泡流模型、混合物模型和欧拉-欧拉模型气泡流模型适用于液体为连续相、气体以少量小气泡形式分散存在的场景。气相体积分数通常较低一般可把 10% 左右作为经验参考。该模型通常求解液相主流场和气相体积分数气泡相速度通过滑移速度模型或相间阻力关系获得不单独求解完整气相动量方程。混合物模型将气液两相等效为一种混合物求解统一的混合物质量和动量方程同时求解分散相体积分数输运方程。分散相与连续相之间的相对运动通过滑移速度模型描述。相比气泡流模型混合物模型更通用可以处理更高体积分数的分散气泡流、液滴流或颗粒流但仍然不适合清晰的大尺度相界面。欧拉–欧拉模型将两相都视为连续介质每一相具有各自的体积分数、速度场和动量方程。两相之间通过曳力、升力、壁面润滑力、湍流弥散力、虚拟质量力等相间作用力耦合。该模型比气泡流模型和混合物模型更完整但也更依赖相间作用力闭合模型。双欧拉模型在双欧拉框架下每一相都被视为充满整个计算域的连续介质用其体积分数 αk来描述当地的存在比例∑αk1。对于不可压缩、无相变的等温两相流核心方程如下在气液两相流中双欧拉模型通常用于描述大量分散气泡在连续液相中的运动当实际物理情况中发生的气泡聚合成大气泡对模型适用性的影响双欧拉模型设计的初衷是小气泡/颗粒/液滴群分散相分布于连续相中其运动由相间作用力曳力、升力等主导单个分散相单元的尺度远小于网格尺度。当气泡增大会面临三个层面的模型失效1.曳力模型失效常用曳力系数关联式如经典的Schiller-Naumann通常基于小尺度、近似球形或弱变形气泡建立。当气泡变大后形状可能从球形变为椭球形、帽形甚至弹状气泡尾涡、遮挡效应和壁面约束会显著影响相对运动传统小气泡曳力模型难以准确描述。2.相界面作用力对于大气泡或弹状流界面形状、局部液膜、尾涡结构、附加质量效应和壁面约束都会变得重要。此时传统针对分散小气泡建立的升力、壁面润滑力、湍流弥散力等经验模型可能不再适用。3.体积平均假设失效双欧拉模型中的体积分数本质上是代表性体积内的统计平均量。如果气泡尺寸接近或大于网格尺度单个网格不再包含足够多的小气泡体积分数就不再具有分散相平均意义而更像是锐利界面的数值表示。此时继续用双欧拉模型描述两相相互穿透的平均场物理意义会变弱。总的来说双欧拉模型适合描述体积平均意义下的大量分散气泡群当气泡聚并为大气泡并形成宏观界面时曳力模型、相间力模型和体积平均假设都会变弱此时更适合采用能够解析气液界面的模型