别再踩坑！鼓泡床气液两相流场仿真笔记！

很多工程领域的设备都涉及到气液两相流动问题，鼓泡塔、曝气池、搅拌罐等等。

工程师设计之初想要了解设备设计性能，但苦于没有合适的仿真工具、成熟的仿真方法和可行的仿真方案。

话不多少，下面的每一条，拿笔来记。

一、工具

ANSYS fluent。

二、多相流模型设置

避坑点1

选非均相欧拉多相流（Inhomogeneous Models），别选Homogeneous models里面的VOF和Mixture，工程级别的设备仿真，选VOF不适合，因为网格尺寸捕捉不到小气泡边界细节，如果是科研中小尺寸模型，可以选VOF，这一点别犹豫，耽误时间。

避坑点2

Volume fraction parameters选项中的formulation选择隐式Implicit。计算量小，时间步长可以设置大一些，比如0.01s或者0.1s都能跑通，计算物理时间更少。如果选择explicit，需要设置很小的时间步，比如0.0001s，对于大型工程设备，要算到猴年马月。

避坑点3

首相液体、次相气体，顺序别选错了；

避坑点4

次相气体设定颗粒直径，一般几毫米到几十毫米，对于陶瓷滤管，尺寸可能是几十μm，根据曝气孔尺寸设定。该尺寸会显著影响气液液面高度，如果设置太小，气泡上升受阻（也有说设置太大上升受阻，我试了一下相反，气泡越小，排气越困难，液面持续升高不稳定导致发散）。

如果在population balance model （PBM）中设置了气泡群分布，这里会自动改为sauter-mean，就是你设置的PBM颗粒群分布形式，不用理他。

避坑点5（大坑多）

曳力模型Drag coefficient选择morsi-alexander；

如果不是做科研小尺寸研究，不要选择ishii-zuber模型，据说该模型更准确，但对于工程设备，谁知道呢，只要你选了ishii-zuber，计算就发散，它理论上再精确有什么用，方法不能落地。所以别浪，听人劝吃饱饭。

浮力模型选tomiyama，这模型没得说，好用的不得了；

Wall lubrication 选antal-et-al，小试管必选，大设备你不选影响也不大。

Turbulent dispersion可以选burns-et-al，系数设置0.5-1之间可以调，发散就别选了。

Turbulence interaction选sato，大家都这么设。

虚拟质量力Virtual mass coefficient，可以不选，我没对比出来太大区别。可能是设备太大了，细节体现不出来。

三、湍流模型

避坑点6

选standard k-w；不是standard k-e，也别选默认SST k-w，计算太慢。

避坑点7

Turbulence Multiphase Model选择dispersed。

四、材料设置

避坑点8

第二相气体尽量不要设置为可压缩气体，因为内部压力初始计算不稳定，很可能根据气体状态方程得到的初始时刻气体密度变化太大，导致计算一开始就发散，调不出来。如果计算已经稳定了，不考虑其他的压缩性又不行，可以把气体密度改为incompressible ideal gas继续计算一下。

五、操作参数

避坑点9

操作压力可以设置为出口绝对压力，比如出口表压为1000Pa，你可以把operation pressure改为102325 Pa。这主要是因为在下一条边界条件注意事项里面，需要把出口设置为degassing，这个边界是不能单独指定出口压力的，默认出口表压为0 Pa。

避坑点10

重力方向别搞错了；

避坑点11

操作密度设置为密度比较小的相密度，收敛性更好一些。 

六、边界条件

避坑点12

出口设为degassing（只有气体出去，液体不出，要求前面多相流设置必须是首相液体次相气体，这里你没得选）。

不要设置为压力出口，因为可能导致液相流出，这样结果会失真。

Degassing边界条件只有在开启非均相欧拉多相流模型Inhomogeneous Models）的时候才有这选项，均相多相流（Homogeneous models）中的VOF、mixture等模型都没有这个选项，别找了。

七、求解设置

避坑点13

松弛因此调低一些，如果把握不准，把volume fraction调到0.1，湍流和湍动能等项目都调整0.3-0.5。求解策略可以先关闭equations中的能量方程和湍流方程等，算几步不发散再开启必要方程求解。

八、非稳态计算unsteady；

时间步长设置0.0001s或者0.1s都能计算，看你要求观察的细节和气体速度。

九、几何模型处理

避坑点14

如果通过上述方法计算还是发散，那么是你的几何模型简化不够彻底，保留的细节还是太多，比如通气流道建的太完整了，这是很忌讳的，因为喷口到液体的初始计算曳力模型的刚度较大，会直接导致计算发散。即使关掉曳力模型来调试，收敛也很困难。

我的建议是，气体流道内的流体域就不要算了，挖空，不画网格，直接把喷口作为入口边界，十有八九计算稳定。

以下是动画示例分享，当然这个液面波动也有点大，因为气泡直径给的不合适。工程实例就不放了，保密。 

实在做不出来，找我合作13301292587（但不搞培训）。