周末聊仿真 | CFD 中的多相流挑战

在石油开采中，仿真计算可以对多相间的物理作用(机械、热和化学)进行准确预测。依靠实验了解这些过程成本高昂，部分场景甚至无法观察到。工程师们需要依靠多相流模型仿真计算来深入了解各个因素的比重，诸如效率、吞吐量、安全性和可靠性等。例如，井底的流动可能完全是单相的，但随着气泡形成并向顶部上升，流动会从单相转变为多相的。

多相流比单相流更难建模。完全描述流体需要求解每相的质量、动量和能量方程，以及相之间的交换。由于广泛的物理现象和多种流动形式，对交换相的适当建模变得至关重要。

油气井底部可能是完全液态的，但由于溶解气体的存在，当压力下降时，油气井向顶部输运会转变为气泡流。此时需要一系列多相流模型来捕捉油井中不同位置的流动。

自由表面流动包括两种或两种以上的不相混流体，其中每一种流体在流域的重要部分被描述为连续的。虽然这些区域的形状和位置可能随着时间推移而变化，但可以清楚地识别出充满单一流体的区域。这些区域足够大，可以被描述流体之间界面形状和位置的流体体积(Volume Of Fluid)模型中的多个网格单元覆盖。应用包括:船舶在水中运动，溃坝场景，油箱晃动、分层流动(不同流体的不同层)、段塞流(在管道中非常大的气泡通过液体)和液滴破裂等。

使用VOF方法，单个固定网格覆盖整个流域。根据相间界面的形状计算相的运动和局部体积分数。在空间的任何一点上，只有两种流体相中的一种，而且每个位置只有一个速度场。因此，通常只求解一个速度场。然而，在界面速度差较大的情况下，如果求解两个独立的速度场，则可以提高计算的稳健性和准确性。不同的界面跟踪方法具有不同的精度、计算速度和数值稳健性。

在分散多相流中，有一个连续相和一个或多个分散相。分散相由分布在连续相中的许多小而离散的液滴、气泡或固体颗粒组成。通常，这些颗粒的尺寸与流体域相比较小，并且通常小于网格中的单元尺寸。通常，计算每个粒子的运动计算量很大，对这种系统最常用的建模方法为欧拉方法和拉格朗日方法。

欧拉方法将流体-颗粒系统描述为一个混合连续相，并求解每个相的质量、动量和能量方程。液滴、气泡和颗粒不会被单独跟踪。运动方程包括在多相体系中的相间阻力和其他相关力的影响。典型的计算结果是各相的局部速度、温度和体积分数。

欧拉多相模型有几种变体。在相间速度差相对较小的情况下，通常可以通过只求解混合物的一个运动方程(而不是每个相的方程)来简化模型。对于气泡或液滴，可以在模型中考虑破裂和聚并的影响来计算尺寸分布。对于流体或气体中的固体颗粒，可以使用一种特殊的欧拉颗粒模型来解释颗粒碰撞、摩擦和堆积密度的影响。欧拉方法通常用于流化床、泡柱、混合槽、沉降、浆流以及气动输送和水力输送系统。

拉格朗日粒子跟踪方法计算连续相中单个粒子如粒子团液滴、气泡的轨迹。它也被称为离散相模型(Discrete Phase Model)。在实践中，当颗粒或液滴占总体积的一小部分时(通常小于10%)，这种方法最有用。在粒子数量太大而无法计算的情况下，可以通过计算具有统计意义的粒子团数来简化模型。可以评估颗粒对连续相流动的影响(反之亦然)。传质效应，如蒸发和冷凝，以及化学反应，如燃烧，可以很容易地包括在内。拉格朗日模型的应用实例包括:空气中的液滴喷雾(如油漆)、空气中的固体颗粒(如哮喘药物吸入器中的细粉末)或液体中的气泡(如溶解的气泡)。

采用密集离散相模型(Dense Discrete Phase Model)和离散相模型(Discrete Element Model)模拟颗粒流体的流动。DEM模拟单个粒子的详细相互作用，当模拟必须考虑粒子形状、旋转、碰撞、磨损和破裂时，它变得越来越有用。DDPM模型允许使用颗粒悬浮流的动力学理论有效地模拟大型颗粒系统。离散相模型可以与其他欧拉模型相结合，以解释流体相。

计算既可以是稳态的，也可以是随时间变化的。当最终解与初始条件无关，且各相有明显的流入边界时，稳态计算是最合适的。其他情况通常是与时间相关的模型。由于额外的方程和需要将许多与时间相关的流动模型，多相流模型计算可能会需要大量计算资源与时间。ANSYS CFD在并行计算系统上高效工作，使模型计算时间保持在合理的范围内。

即使有了强大的多相流模拟功能，工程师们也在挑战极限。它包含了更多的物理学（反应、运动物体、高速、尺寸变化、相变和传热）。

除了石油和天然气，化工、电力、汽车、航空航天、船舶等行业也转向多相流模拟。泳装制造商在泳镜的设计中解决了多相流模型的问题。与游泳者的体型相比，这种护目镜很小，在仿真过程中需要极高的网格数来分解液滴。水膜厚度需要用至少10个网格来表示，这就产生了一个非常大的网格数量。

模拟很少像对单相流建模那样简单。为了优化自动洗碗机的能源效率和用水量，工程师们使用多相流和多物理场模型来模拟多种流体状态的变化，这些变化发生在旋转臂上的喷嘴喷射，射流飞溅在盘子上形成水膜，盘子上的膜或液滴滴下，以及旋转臂下的水池。在ANSYS Fluent中，可以使用拉格朗日方法对水的射流进行建模，并有效地捕获了从旋转喷雾臂到盘子的所有水滴。拉格朗日壁膜模型捕捉到了水射流撞击盘子形成薄膜的过程，并提供了关于薄膜厚度、覆盖范围以及这些如何受到射流臂设计影响的重要信息。

VOF模型描述了由于重力和水滴膜和水滴聚集到底部水池中的流动。蒸发和冷凝模型模拟了干燥循环。这种洗碗机循环的多阶段模拟是一个更大的多物理场项目的一部分，该项目始于ANSYS SpaceClaim，它可以快速创建初始模型和多个备选设计。ANSYS Mechanical进行了线性和非线性分析，以优化结构的流激振动、噪声和疲劳。ANSYS电子和系统解决方案评估了电动机，控制面板显示和传感器的性能。

ANSYS将继续提升其求解器能力，以提供解决多相流问题中所需的模型保真度、计算稳健性、可用性、速度和优化能力。完整的ANSYS仿真工具集不断验证和重新验证，确保可以高精度求解方程。ANSYS高性能计算(HPC)使评估更大、更高保真度的模型、具有更复杂的物理特性成为现实，从而可以深入了解产品开发过程的每个阶段。