Fluent翻译更新：VOF模型理论解析

最近翻译了一点理论手册的，希望2023年活力满满，我爱你们。

18.3. VOF 模型理论

本节分为以下小节：

18.3.1.VOF模型概述

18.3.2.VOF模型的局限性

18.3.3.稳态和瞬态VOF的计算

18.3.4.体积分数方程

18.3.5.材料特性

18.3.6.动量方程

18.3.7.能量方程

18.3.8.附加标量方程

18.3.9 .表面张力和附着力

18.3.10.明渠流动（Open Channel Flow）

18.3.11.明渠波的边界条件

18.3.12.耦合水平集（Level-Set）和VOF模型

18.3.1.VOF模型概述

VOF模型通过求解一组动量方程和跟踪整个领域中每个流体的体积分数来计算两种或多个不混溶流体。典型的应用包括预测射流破裂、液体中大气泡的运动、溃坝（dam break）后液体的运动以及任何液 体-气体界面的稳定或瞬态跟踪。

18.3.2.VOF模型的局限性

ANSYS Fluent中的VOF模型有一些限制条件：

• 必须使用基于压力的求解器。不能使用基于密度的求解器。

• 所有控制体必须填充一种流体相或流体相的组合，即VOF模型不允许流体域存在的空隙。

• 只有一种相可以被定义为可压缩的理想气体。使用UDF时，压缩液体使用没有限制。

• 当使用VOF模型时，流线型周期流（Streamwise periodic flow） 不适用。（关于Streamwise periodic flow，可参考这里）

• 二阶隐式时间步进公式与VOF显式格式不兼容。

• 当使用DPM模型与VOF模型结合跟踪粒子时，就不能选择共享内存方法（Shared Memory） （更多内容可参考第16章离散相模型的并行处理）。所有多相流模型都能使用消息传递（message passing）或混合方法与DPM兼容。 

• 耦合的VOF水平集模型不能用于多面体网格。

• VOF模型不兼容非预混、部分预混和预混燃烧模型。

18.3.3.稳态和瞬态的VOF计算

通常，ANSYS Fluent中的VOF模型用于计算与时间相关的问题（即瞬态问题），但对于只涉及稳态解的问题，也可以使用稳态计算。 稳态的VOF计算必须要求解与初始条件无关，并且各相都有明确的流入边界。举个例子，由于旋转的水杯内自由表面的形状取决于流体的初始水平，所以这个问题必须使用随时间变化的求解器来解决。用稳态方法可以解决顶部有空气区域和单独进气口的通道中的水流问题。

VOF方法依赖于两个或两个以上的流体互不相容这一情况。对于添加到模型中的每个相，都要引入一个变量：计算单元中该相的体积分数。在每个控制体积中，所有相的体积分数之和为单位1。当每个相在每个位置的体积分数已知时，所有变量和特性由相共享，而且通过体积平均值表示。因此，任何给定单元格中的变量和特性要么代表了其中一个相，要么代表相的混合物，代表什么取决于体积分数。 换句话说，如果将qth流体在单元中的体积分数表示为αq，则可以有以下三种条件：

• αq = 0 ：该单元格是空的（不含qth流体）。

• αq = 1： 单元格充满了 qth流体。

• 0< αq <1：该单元格包含流体和一种或多种其他流体之间的界面。

 根据局部αq 值，可以为域内的每个控制体分配适当的属性和变量。

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