Fluent案例｜Rayleigh–Taylor不稳定流动仿真

本案例演示利用Fluent仿真计算Rayleigh-Taylor不稳定流动。

瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh–Taylor instability），或简称RT不稳定性（以Rayleigh勋爵和G. I. Taylor命名），指的是在两种不同密度的流体界面之间发生的一种不稳定性现象。常见的例子包括地球重力下水悬浮在油上方的行为，火山喷发和大气核爆炸中出现的蘑菇云，超新星爆炸过程中膨胀的核心气体加速进入更密集的壳层气体，等离子体聚变反应堆和惯性约束聚变中的不稳定性等。

计算结果如下图所示。

1 问题描述

本例计算模型如图所示。采用2D平面模型进行计算，高度1 m，宽度0.25 m。初始时刻密度较大的介质位于计算区域的上部，密度小的介质位于下部，物性参数如图中所示。

计算区域内的流动为层流，采用VOF多相流模型捕捉相间界面。为加速计算过程，在初始时刻给上部介质一个向下的0.1 m/s的速度。该初始速度利用UDF宏DEFINE_INIT进行施加。程序代码如下图所示。

#include "udf.h"
DEFINE_INIT(init_cos, domain)
{
    cell_t c;
    Thread *thread;
    real xc[ND_ND];
    thread_loop_c(thread, domain)
    {
        begin_c_loop_all(c, thread)
        {
            C_CENTROID(xc, c, thread);
            if (xc[1] <= 0.5 + 0.05 * cos(2 * 3.141592654 / 0.25 * xc[0]))
            {
                C_V(c, thread) = 0;
            }
            else
            {
                C_V(c, thread) = -0.1;
            }
        }
        end_c_loop_all(c, thread)
    }
}

2 Fluent设置

• 以2D、Double Precision方式启动Fluent

• 利用菜单 File → Read → Mesh… 读取网格文件 rt-mesh.msh

2.1 General设置

• 进入General任务页，进行以下设置
• 指定Time参数为 Transient 采用瞬态计算
• 激活选项Gravity，指定重力加速度为 [0 -9.81 0]

2.2 Materials设置

• 创建材料介质light-fluid，指定其密度为 998.2 kg/m3 ，粘度为 0.001 kg/(m-s)

• 创建材料介质heavy-fluid，指定其密度为 1074.9 kg/m3 ，粘度为 0.001259 kg/(m-s)

创建完毕的材料节点如下图所示。

2.3 Models设置

• 右键选择节点Viscous，选择 Models → Laminar 采用层流计算

• 双击模型树节点 Multiphase 打开Multiphase Model
• 选择多相流模型 Volume of Fluid
• 激活选项 Implicit Body Force
• 点击 Apply 按钮

• 进入Phases选项卡
• 指定 light-fluid 为主相
• 点击 Apply 按钮

• 指定 heavy fluid 为次相
• 点击 Apply 按钮

• 进入Phase Interaction
• 激活选项 Surface Tension Force Modeling
• 指定 Surface Tension Coefficient 为 0.00184 N/m
• 点击 Apply 按钮

2.4 编译并加载UDF

• 点击工作区按钮 User-Defined → Functions → Compiled… 打开编译对话框

• 选择源文件，点击按钮 Build 编译文件，并点击按钮 Load 加载UDF

• 点击工作区按钮 User-Defined → Function Hooks… 打开设置对话框

• 点击Initialization右侧按钮 Edit… 打开设置对话框

• 如下图所示加载UDF

加载UDF后的对话框如图所示。

2.5 Methods设置

• 如下图所示设置Methods

2.6 Controls设置

• 进入Controls任务页，如下图所示设置参数

2.7 初始化计算

• 利用Standard Initialization进行初始化

• 右键选择 Cell Registers ，点击弹出菜单项 New → Region…

• 如下图所示设置区域参数

• 初始化区域的重相体积分数为 1

• 初始化Y Velocity为 -0.1 m/s

2.8 创建动画

• 显示初始时刻重相体积分数云图

• 以重相体积分数云图进行动画显示

2.9 求解计算

• 设置时间步长为 0.01 s，时间步数为 500 进行计算

3 计算结果

• 重相体积分数（1、1.2、1.4、1.6和1.8秒）

• 重相体积分数（2、2.2、2.4、2.6和1.8秒）

• 重相体积分数（3、3.2、3.4、3.6和3.8秒）

• 重相体积分数（4、4.2、4.4、4.6和4.8秒）

如下图所示。