多相流VOF模型应用探索：界面追踪与相变分析

我们介绍一下多相流模型的一种-VOF模型的适用场合及使用方法。通过VOF实例观察两相界面分布，了解VOF模型使用过程中的注意点。

1. VOF模型简介

该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动、气液界面的稳态和瞬态处理等。一般而言VOF主要适用于非稳态的多相流模型，仅对某些特定问题的多相流模型的稳态问题能够适用。

VOF方法适用于计算空气和水这样不能互相掺混的流体流动，对于分层流和活塞流，最方便的就是选择VOF模型。需要注意的是，对于湍流模型的设置，VOF不能用于无粘流，也不能用大涡模拟。

2. 工况描述

我们使用VOF模型模拟打印机喷墨问题，如图1所示，墨水从进口inlet边界流入墨水腔(ink chamber)，经过缩放管后流入空气腔(air chamber)。模型参数如图2所示。

在时间零点，墨水腔中充满墨水，而空气腔中则充满空气。假设两种流体都处于静止状态。启动喷射后，入口边界处的墨水速度从0增加到3.58 m/s。由于尺寸较小，ANSYS Fluent使用双精度。空气为第一相，墨水（将与液态水的性质建模）为第二相。

图1.物理模型

图2.物理模型参数

3. Fluent计算步骤

1. File - Read - Mesh...

2. General-scale，将单位缩放为mm

图3.尺寸缩放

3. 显示设置：Viewing-Views...

按轴对称显示完整的图形

Viewing-camera Parameters，调整图形角度。

图4.轴对称显示

图5.角度调整

4. General Setting：

基于压力、瞬态、轴对称

图6.General面板设置

5. 模型设置：

VOF两相流模型，Number of Eulerian Phases表示相个数

图7.VOF模型设置

6. 材料设置：

使用两种流体，air和water。将water的物性作为ink的物性，在物性参数中添加water，物性参数均保持默认。

图8.材料设置

7. 相设置：

Setting up  Physics--Phases-List/show all...

将空气设置为主相，水设置为次相

图9.相域设置

8. 操作条件：

设置参考压力位置，参考压力位置的设定是为了计算更加精确，一般设置在流场中密度最小的位置，此处设置在空气腔右上角位置。

图10.操作压力位置

9. 边界条件

In为Velocity inlet，速度设定为3.0m/s，ink的体积分数为1

Out为pressure outlet

图11.边界条件设置

10. 求解方法设置

图12.求解方法设置

11. 初始化设置

图13.初始化设置

12. 动画设置

Calculation Activities-Solution Animations-Create/Edit

图14.动画设置

将相界面分布保持为动画

图15.设置动画

13. 运行计算

图16.运行设置

4. 结果查看

1. 相分布云图

Results-Graphics-Contours

图17.相分布云图设置

图18.相分布云图

2. 相界面分布动画

图19.动画输出设置

图20.相分布动画

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