【多相流进阶】VOF模型全面概述与应用

VOF模型可以通过求解单一的动量方程并跟踪区域内每个流体的体积分数来模拟两种或两种以上的非混溶流体。典型的应用包括射流破裂的预测、大气泡在液体中的运动、溃坝后液体的运动，以及任何气-液界面的稳态或瞬态跟踪。

1 VOF模型的局限性

Fluent中的VOF模型有以下限制:

必须使用压力基求解器，VOF模型不能用于密度基求解器；
所有的控制体积必须充满单个流体相或相的组合，VOF模型不考虑没有任何类型流体存在的空隙区域；
只有一种相可以被定义为可压缩的理想气体，在用户自定义函数使用可压缩流体没有限制；
当使用VOF模型时，不能模拟沿流向周期性的流量(指定的质量流量或指定的压降)；
二阶隐式时步公式不能用于显式VOF格式；
当DPM模型结合VOF模型跟踪粒子时，无法选择共享内存方法(离散相模型并行处理)，(注意，使用消息传递或混合方法可以使所有多相流模型与DPM模型兼容。)
在多面体网格上不能使用耦合的VOF模型；
VOF模型与非预混、部分预混和预混燃烧模型不兼容。

2 稳态和瞬态VOF计算

VOF在Fluent中通常用于瞬态计算，但如果你只关心稳态解，它是可以进行稳态计算的。只有当解不受初始条件的影响，且各相有明显的流入边界时，稳态VOF计算才有意义。例如，由于旋转杯内自由表面的形状取决于流体的初始水平，这样的问题必须用随时间变化的公式来解决。另一方面，在有单独进气的顶部有空气区域的通道中，水的流动可以用稳态公式求解。

VOF模型依赖于两个或两个以上的流体(或相)不相互渗透的事实。对于添加到模型中的每个额外的相，将引入一个变量:计算单元中该相的体积分数。在每个控制体中，所有相的体积分数之和为一。所有的相都共享变量和物性，并表示体积平均值，只要在每个位置都知道每个相的体积分数。因此，根据体积分数的值，任何给定单元格中的变量和属性要么纯粹代表一种相，要么代表一种相的混合物。换句话说，如果将单元内流体的体积分数表示为α_q，则可能出现以下三种情况: