Fluent多相流模型设置
Fluent多相流模型选择

VOF模型

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。

Volume Fraction Formulation格式选择

显式 Explicit

Explicit Formulation只能用于瞬态求解器，相对于隐式格式，其数值准确性更高，其时间步长必须满足Courant数稳定性准则（CFL）。

隐式 Implicit

Implicit Formulation可用于稳态或者瞬态求解器，虽然隐式格式无条件稳定，相比显式可以采用更大的时间步长，但是如果采用一阶时间离散，结果会受限于截断误差，一般推荐使用高阶时间离散格式。

Interface Modeling type

Sharp

（只有VOF以及欧拉模型中的Multi-Fluid VOF Model才可以选择）此时相间有明显的分界面。

• Interfacial Anti-Diffusion选项
  该选项用于抑制界面单元由于体积分数对流格式所造成的数值扩散，会对结果的收敛带来负面影响（特别是一些激进的设置或者较大的时间步长）。一般用于粗网格，有高纵横比网格，在相界面有较大的体积阶跃或者由于过大的数值扩散而报错的情况。

使用define/models/multiphase/interface-modeling-options文本命令可以在0-1范围内设置。

Dispersed

此时相间是相互渗透的，即分散的，没有明显的相界面。

Sharp/Dispersed

Sharp和Dispersed界面都有，也可用于捕捉mildly sharp interfaces，即界面既不尖锐，也不太分散的情况。

• Interface Modeling Options(没搞明白理论是什么)

  • Zonal Discretization
    This option is appropriate for applications that require either sharp or dispersed interface modeling depending on the cell zone. After enabling Zonal Discretization you will need to specify the slope limiter value on the Multiphase tab of the Fluid dialog box for each cell zone（设置在cell zone condition，点击fluid，然后点Multiphase）.
    

  • Phase Localized Discretization
    This option is appropriate for applications that require either sharp or dispersed interface modeling depending on the phase-pair comprising the interface. After enabling Phase Localized Discretization you will need to specify the slope limiter values for each phase pair on the Discretization tab of the Phase Interaction dialog box（设置在Model的Multiphase中的Phase Interactions，设置Discretization）.
    

Coupled Level-Set + VOF

水平集方法是计算拓扑复杂两相流的一种常用的接口跟踪方法。由于水平集函数是光滑连续的，因此可以准确地计算其空间梯度。这反过来将产生界面曲率和曲率引起的表面张力的精确估计。然而，水平集方法在保持体积守恒方面存在不足。而VOF方法天然是体积守恒的。
耦合水平集和VOF模型是专为两相流设计的，不涉及传质，只适用于瞬态流动问题。在二维情况下，网格应限于四边形、三角形或两者的组合；在三维情况下，网格应限于六面体、四面体或两者的组合。

体积分数的空间离散格式

Geo-Reconstruct格式

Geo-Reconstruct格式（在Solution Methods中设置）是一种较为精确的追踪自由表面的计算格式，广泛地应用于瞬变流的VOF问题中，但必须注意的要使用该格式VOF模型必须使用显式离散格式（在VOF模型设置选项设置）。
Geo-Reconstruct格式基于几何信息捕捉界面，计算最准确，但是耗费资源最大。优先考虑。

其他格式

The CICSAM, Modified HRIC, and Compressive格式基于代数信息捕捉界面。

Volume Fraction Cutoff

单元内体积分数低于Volume Fraction Cutoff直接被设置为0。隐式格式可设置为0 ~ 1e-6，显式格式可设置为0 ~ 1e-4。一般采用默认的就行。

Expert option(sub-time step calculation method)

使用显式格式时，求解体积分数所用的时间步（The sub time step）与求解其他输运方程所用的时间步不同。
The Courant number is a dimensionless number that compares the time step in a calculation to the characteristic time of transit of a fluid element across a control volume(库朗数就是在一个时间步长里一个流体质点可以穿过多少个网格). 即$Courant=u\ast △t/△x$。

• velocity based
  $△t_v=C\frac{△x}{V_{fluid}}$
  $C$是Courant数，$△x$是网格大小，$V_{fluid}$是流体速度。
• flux based
  $△t_f=C\frac{V}{{\sum }_{cell}{U}_f}$
  $C$是Courant数，$V$是网格体积，$U_f$是出流通量。
• hybrid and flux based
  velocity based最激进，flux based方法最保守，hybrid和flux based居中，通常默认就行。

Solve VOF Every Iteration

通常情况下，勾选该选项会造成计算更不稳定，且耗时更大。但If you are using sliding meshes, or dynamic meshes with layering and/or remeshing, using the Solve VOF Every Iteration option will yield more accurate results, although at a greater computational cost.(滑移网格和动网格情况下，该选项会有更准确的结果)

Body Force Formulation

为提高解的收敛性，对于涉及到表面张力的计算，建议在Body ForceFormulation 中勾选 Implicit Body Force。这样做由于压力梯度和动量方程中表面张力的部分平衡，从而提高解的收敛性。

When large body forces (for example, gravity or surface tension forces) exist in multiphase flows, the body force and pressure gradient terms in the momentum equation are almost in equilibrium while the contributions of convective and viscous terms are small in comparison. Segregated algorithms converge poorly unless partial equilibrium of pressure gradient and body forces is taken into account. ANSYS Fluent provides an optional “implicit body force” treatment that can account for this effect, making the solution more robust.

关于VOF的Operating Density的设置

For VOF calculations, you should also enable the Specified Operating Density option in the Operating Conditions dialog box, and set the Operating Density to be the density of the lightest phase. (This excludes the buildup of hydrostatic pressure within the lightest phase, improving the round-off accuracy for the momentum balance.) If any of the phases is compressible, set the Operating Density to zero.

mass transfer mechanism

from phase 必须是liquid ， to phase 是vapor。

Mixture模型

这是一种简化的多相流模型，用于模拟各种有不同速度的多相流，但是假定了在短空间尺度上局部的平衡。相之间的耦合应当是很强的。它也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各向以相同速度运动的多相流。典型的应用包括沉降（sedimentation）、气旋分离器、低载荷作业下的多粒子流动、气相容积率很低的泡状流。

Mixture Parameters

一般需要勾选Mixture Parameters中的Slip Velocity复选框，以此来求解滑移速度模型，因为在多相流中各种组分的速度有很大不同。对于求解一个均匀的多相流问题可以选择不做滑移速度的计算，可以在mixture parameters选项下将slip velocity关掉。

Eulerian模型

欧拉模型是fluent中最为复杂的多相流模型。它建立了一套包含有n个动量方程和连续方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合的方式则依赖于所含有的情况，颗粒流（流-固）的处理与非颗粒流（流-流）是不同的。欧拉模型的应用包括气泡柱、上浮、颗粒悬浮和流化床。

该模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，相可以是液体、气体、固体。与在离散相模型中Eulerian-Lagrangian方案只用于离散相不同，在多相流模型中Eulerian方案用于模型中的每一项。

如何选择多相流模型

VOF模型适应于分层的或者自由表面流动，而mixture 模型和Eulerian模型适应于流动中有相混合或者分离，或者分散相的体积分数超过10%的情形。

为了更好地区分mixture模型和Eulerian模型，给出以下建议：

1. 如果分散相有着宽广的分布，mixture模型是最可取的。如果分散相只集中在区域中的一部分，应当使用Eulerian模型。

2. 如果相间曳力规律是可利用的，Eulerian模型通常比mixture模型能给出更精确的结果。如果相间的曳力规律不明了，mixture模型是最好的选择。

3. mixture模型比Eulerian模型要少求解一部分方程，所以mixture模型计算量较小，如果精度要求很高，Eulerian 模型是更好的选择。但是，复杂的Eulerian 模型比mixture模型的计算稳定性要差。