流體仿真軟件VirtualFlow 提供完整的多相流模型框架

積鼎科技自主研發(fā)的通用流體仿真軟件VirtualFlow 提供了比較完整的多相流模型的框架，針對(duì)界面流、混合流與離散相流體等流動(dòng)問(wèn)題的特點(diǎn)提供了相應(yīng)的多相流動(dòng)的模型。

界面流問(wèn)題，提供VOF、Level Set等模型

混合流問(wèn)題，提供基于歐拉-歐拉體系的均相模型

離散相流體問(wèn)題，提供歐拉-拉格朗日模型

界面流：VOF與Level Set的對(duì)比

VirtualFlow針對(duì)界面流問(wèn)題，提供了VOF、Level Set等方法，Level Set方法是VirtualFlow軟件的特色方法之一。

眾所周知，VOF方法是界面追蹤方法的代表之一，而Level Set方法與之類似，通過(guò)求解對(duì)流輸運(yùn)方程來(lái)追蹤捕捉界面的發(fā)展。

但與VOF方法有所不同的是，Level Set方法求解的對(duì)流輸運(yùn)方程的輸運(yùn)項(xiàng)是一個(gè)水平集函數(shù)（符號(hào)距離函數(shù)變量），而VOF方法直接求解各相體積分?jǐn)?shù)的對(duì)流輸運(yùn)方程。Level Set求解的符號(hào)距離函數(shù)Φ定義的是空間中的任意一點(diǎn)到兩相界面的最短距離，那么兩相界面的位置就自然處于Φ=0位置處，即零水平集位置。這樣定義處理兩相界面的優(yōu)勢(shì)在于，其界面擁有明確定義，即零水平集，不需要像VOF方法一樣引入界面重構(gòu)的算法，特別在界面出現(xiàn)拓?fù)渥兓那闆r下（例如氣泡破碎、聚并等）。Level Set方法對(duì)于相界面的跟蹤識(shí)別的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

此外，當(dāng)需要考慮流體表面張力對(duì)流動(dòng)的影響時(shí)，需要明確界面的法線方向及界面曲率，此時(shí)Level Set方法相較于傳統(tǒng)的VOF方法就可以更準(zhǔn)確、更高效地對(duì)由于表面張力而影響的流動(dòng)現(xiàn)象的描述。

最后在質(zhì)量守恒性方面，VirtualFlow針對(duì)性采用Local + Global補(bǔ)償修正，避免了早期Level Set方法的質(zhì)量守恒性較差的問(wèn)題，解決了相體積不守恒的數(shù)值問(wèn)題。

這里給出了VirtualFlow采用Level Set方法的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比案例，如下圖所示。

流場(chǎng)底部邊界為開(kāi)孔平板，自孔中注入氣體形成氣泡并不斷演化的過(guò)程。分別給出了VirtualFlow采用的Level Set方法、OpenFOAM采用的VOF方法，以及商業(yè)軟件采用的VOF搭配Geo Reconstruct、耦合Level Set-VOF方法等數(shù)值模擬方法得到的仿真結(jié)果。對(duì)比下圖不同時(shí)刻下兩種數(shù)值仿真方法得到的氣泡外形變化情況（藍(lán)色線：VirtualFlow Level Set方法，黑色線：OpenFOAM VOF方法）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（紅色線）進(jìn)行了對(duì)比。

可以看到，Level Set方法得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為吻合的（上圖中藍(lán)色線為L(zhǎng)evel Set方法的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，紅色線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果），而VOF方法得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異在初始階段尚不明顯，但隨著時(shí)間推進(jìn)，后期差異較為明顯（下圖中黑色線為VOF方法的計(jì)算結(jié)果，紅色線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。

另外，我們追蹤了氣泡在液體中上浮過(guò)程中的氣泡重心位置演化情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如中間下圖所示。圖中黑色線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綠色線為L(zhǎng)evel Set方法的數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果?？梢钥吹?，在追蹤氣泡重心位置運(yùn)動(dòng)方面，Level Set方法是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為吻合。紫色線為耦合CLSVOF方法的計(jì)算結(jié)果，但作為相對(duì)更加復(fù)雜的算法，該方法預(yù)報(bào)的氣泡重心位置卻出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中不存在的往復(fù)震蕩現(xiàn)象，計(jì)算效果并不佳。

N相混合流：Mixture多相流動(dòng)模型

對(duì)于N相混合流動(dòng)，VirtualFlow具備Mixture多相流動(dòng)模型。在Mixture多相流動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)中，VirtualFlow主要具備以下特色：

第一，可以實(shí)現(xiàn)氣液固任意組合；

第二，提供豐富的相間作用力模型，可以實(shí)現(xiàn)相間相互作用的自由控制，且自由控制相間互相摻混的溶混性設(shè)置。在相間相互作用力方面，VirtualFlow集成了曳力、升力以及壁面潤(rùn)滑力等相關(guān)常用模型；

第三，提供了懸浮態(tài)（粘度）模型，這一模型在采用雙流體模型對(duì)流化床問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)需要被考慮，其可以在離散相體積分?jǐn)?shù)接近pack-limit時(shí)對(duì)懸浮態(tài)流體介質(zhì)黏度進(jìn)行修正。

VirtualFlow為積鼎科技自主開(kāi)發(fā)的通用計(jì)算流體仿真軟件，具有領(lǐng)先的網(wǎng)格技術(shù)、豐富的多相流模型以及先進(jìn)的相變模型，可以模擬單相和多相/多組分流動(dòng)，可以模擬復(fù)雜流體（包含非牛頓流體、水合物），提供了面向工業(yè)用戶的流體仿真解決方案，可用于水利水務(wù)、環(huán)境市政、石油&天然氣、化工&過(guò)程工藝、汽車等流體仿真分析。

審核編輯 黃宇