Fluent VOF模型基础与应用（一）

Fluent VOF模型深度解读：从理论到实践


引言

VOF（Volume of Fluid）模型是一种在流体力学中广泛应用于描述两种或多种不互溶流体相互作用的高级方法。这项技术源于对不同流体界面上运动界面的精确跟踪需求，具有广泛的应用场景，包括射流破碎预测、气泡在液体中的运动研究、溃坝后的液体运动以及液气界面的稳定态或瞬态跟踪等。




Fluent中的VOF模型局限性及应用场景


在ANSYS Fluent软件中使用VOF模型时，需要严格遵循一系列限定条件：


求解器选择: 必须使用基于压力的求解器，排除基于密度的选项。


控制体内的填充条件: 所有控制体只能被单一流体相填充或者多个相组合共同填充。


空洞区域回避: 模型架构中不允许出现不存在任何流体的空洞域。

气体相定义: 仅单相可被视为可压缩理想气体，允许通过用户自定义函数引入更复杂的气体行为，对于液体相则允许更大程度的灵活性。

非周期流动限制: 不兼容对指定质量流量或压降的周期性流动进行建模。


时间步长选择: 二阶隐式时间步长公式不允许与VOF显式方案并存。

并行计算考虑: 并行追踪粒子系统时，禁用共享内存选项时禁止合并使用DPM模型和VOF模型。

多面网格限制: 耦合的VOF Level Set模型不能应用于多面网格逢构造中。

稳态与瞬态VOF计算

对于仅考虑稳态解的问题，ANSYS Fluent允许执行稳态计算，只要求解不再依赖于初始条件且各个相间界限明确的输入输出边界保持稳定。例如，旋转杯中的自由表面形状与初始液位相关，其计算适合采用与时间相关的公式。然而，在存在空气空间和独立进气口的通道中，水的流动则可能更适合用稳态公式求解。

VOF方法的核心在于借助这两种或多种不互溶流体之间体积分数的连续性方程，跟踪各相界面的迁移和交互。通过对单个相的体积分数的连续性方程求解，可以追踪不同相体的界面演变。

VOQ方程与解决方案策略

方程建立: 相对一相来说，另一相体积分数的转移由方程（41）描述，其中涉及到当前时间步与上一时间步的体积分数变化及其面的值。方程默认情况下源项为零，用户可根据需求定义不同阶段的常数或自定义质量源。

初相求解：初态体积分数的解根据条件直接计算，不通过方程求解，而是基于用户指定的初始条件。

公式选择：VOF方程的解可采用隐式或显式时间公式。显式形式简化为方程（44），提示当前时间步的体积分数直接依赖于前一时间步的已知状态，无需迭代求解每个次相体积分数的传输方程；隐式形式则采用方程（43），通过迭代在每个时间步中更新每个第二相的体积分数。

接近界面的插值策略

界面附近插值的策略是VOF模型的另一个关键组件，用来确保精确计算通过界面的流体通量并保持边界完整性。

几何重构方案：此方法采用分段线性插值模型表示界面，适用于非结构化网格，确保准确追踪界面形状和性质。

供体受主方案：这种方法定义一个单元为给定量流体的供体，另一相邻单元为相同量流体的接受体，通过限制面通量之间的流体移动来避免数值扩散。

CICSAM方案：这种任意网格格式的压缩界面捕获，特别适用于高粘度比下的相间流动，提供与几何重构相当但更加细化的界面表现。

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