技术前沿：LS-DYNA ICFD典型多相流问题模拟仿真详解-附模型

4小时前浏览11

导读：上一篇文章《LS-DYNA ICFD精准模拟复杂流体问题/流固耦合/多物理场现象》重点介绍了LS-DYNA ICFD模块的核心功能、基本原理及操作流程，并以圆柱绕流问题为例详细讲解了关键字的设置方法。本文将基于瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor Instability）这一典型多相流问题，深入探讨如何在ICFD模块中实现多相流模拟，包括界面捕捉、密度差异设置以及边界条件定义等关键步骤，帮助读者掌握复杂流体问题的仿真方法。

瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability）是发生在两种不同密度的流体界面处的一种经典流体力学现象，当较重流体位于较轻流体上方并在重力或等效加速度作用下相互渗透时形成。该不稳定性由密度梯度与压力梯度方向相反所驱动，导致界面处微小的扰动被放大，形成规则的指状结构或湍流混合层。其发展过程可分为线性增长阶段（小扰动指数增长）和非线性阶段（蘑菇云状结构形成并伴随涡旋）。

一、关键字设置流程

1、建立流体域网格

与上篇文章介绍的圆柱绕流案例类似，在进行瑞利-泰勒不稳定性模拟时，我们首先需要构建完整的流体计算域，包括：1）外部边界网格的建立；2）内部不同密度流体接触界面的精确离散。

设置MESH_VOLUME关键字通过引用边界网格所对应的PART ID确定内部流体域的范围。

与圆柱扰流案例不同的是需要通过MESH_INTERF关键字确定内部流体界面，具体通过引用不同流体接触界面网格的PART ID来确定内部接触界面的位置。

2、流体材料及不同种类流体的初始填充

通过ICFD_MAT关键字分别设置两种密度相差较大的流体材料，具体材料参数如下图所示：

在ICFD_PART中根据流体的具体分布情况将边界材料设置为对应的流体材料，其中接触界面的材料无特别要求，可以设置为两种流体材料中的任意一种。

通过ICFD_PART_VOL 关键字设置不同流体的初始位置，该关键字通过引用不同的流体边界以及内部边界的PART ID来划分不同流体的初始位置。

3、边界条件及载荷设置

通过ICFD_BOUNDARY_FREESLIP关键字将流体域两侧的边界设置为自由滑移界面，并且通过ICFD_BOUNDARY_NOSLIP关键字将流体域的上下两端设置为无滑移边界条件。

在LOAD_BODY_Y中设置重力加速度。

4、求解设置

在ICFD_CONTRO_ TIME关键字中设置求解结束时间为4s设置求解步长为固定时间步长，大小为0.01s。

5、计算结果

在LS-PrePost的MS后处理模块中，用户可对ICFD计算结果进行全面的可视化分析。该后处理系统与主流CFD软件（如FLUENT）数据处理功能类似，能够精确地提取并显示流场关键参数，包括但不限于：速度矢量场、压力云图、各相物质浓度分布等多物理场数据。

总之，本文以瑞利-泰勒不稳定性为例，详细介绍了在LS-DYNA的ICFD模块中实现多相流模拟的关键步骤。文章从流体域网格的建立入手，通过MESH_VOLUME和MESH_INTERF关键字定义了流体域和接触界面，并利用ICFD_MAT和ICFD_PART_VOL关键字设置了不同密度流体的材料参数和初始分布。在边界条件方面，通过ICFD_BOUNDARY_FREESLIP和ICFD_BOUNDARY_NOSLIP关键字分别设置了自由滑移和无滑移边界，并通过LOAD_BODY_Y施加了重力载荷。