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
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