VOF模型介绍资料

VOF模型介绍

2数值计算模型与方法

2、1基本理论

实验测量、理论分析与数值模拟就是研究流体常用得三种方法。三种方法

都有各自得优缺点。实验测量得结果具有直观性与正确性;理论研究具有普遍性,

能够为其她得研究方法提供理论支持;而数值模拟就是最先进得不受设备条件要

求得研究方法。目前数值模拟得方法闪其方便且受限制小而被大家广泛应用，但

就是数值结果也需要与实验数据进行对比，通过实验来验证模型得正确可行性。

正确得模拟方法可以为我们研究得对象提供实验所观察不到得有价值得研究与

预测。三种方法在研究中就是相辅相成得。

目前数值计算得研究方法已经有了长足得发展,得到了广泛得应用。此种方

法将需要研究得问题在虚拟得环境中进行计算，排除了时间、空间等各种因素得

限制，我们可以对不同参数与JJ兄进行取值,得到以卜在实验中无法观察得到得数

据,因此具有实验无法达到得优越性。在模拟计算中，只要建立合理得数学模型与

物理模型,就能借助计算机就可以得到理想得结果。

对于流体换热或流动问题，都可以采用CFD方法解决,CFD方法计算过程如

下：

（1）选择合理得数学模型来描述简化之后得实际问题，只有建立其合理得

数学模型，才能对问题进行分析。

（2）选择合理得计算方法，建立描述数学模型得方程，选择合理得方法对计

算区域进行合理得处理。同时选择合理得求解方法、设置边界条件、

微分方程得离散化方法以及坐标系得建立等等也就是至关重要得。

直接关系着结果得正确与否。

（3）利用Gambil、ICEM等软件对计算区域进行网格划分。在FLUENT

中对区域进行定义与参数得设定，这就是模型改变最多得部分,也就是

CFD中最重要得部分。

（4）得到计算结果。可以利用FLUENT自带得后处理软件对数据进行处

理，结果可以通过图表或者散点图等形式表现出来，通过给出得结果分

析各项参数得变化情况。

2、2VOF模型（VolumeofFluentModel）

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VOF模型介绍

VOF模型,就是建立在固定得欧拉网格下得表面跟踪办法。建立在两种或者

多种流体（或相）不相互混合得前提下。当需要得到一种或者多种互不相融得流

体交界面时,可以采用这种模型。在VOF模型中，不同得流体组分共用、着一套

动量方程，通过引进相体积分数这一变量，实现对每一个计算单元相界面得追踪。

在每个控制容积内，所有相体积分数额总与为l,o所有变量及其属性正在控制容

积内各相共享，并且代表了容积平均值。这样,在任何给定控制容积内得变量及其

属性纯粹得代表了一相或者相得混合，并且由相体积分数决定。换句话说,在单元

中，若第q相流体体积分数为，那么可能存在以下三种情况：

（1）=0:单元里不存在第q相流体。

（2）=1:单元里充满了第q相流体。

（3）0<<1:单元里包含了第q相流体与一相或者其她多相流体得界面。

基于得局部值，适当得属性与变量在一定范围内分配给每一个控制单元.

2、1体积分数方程（连续性方程）

跟踪相之间得界面就是她通过求解一相或者多相得容积比率得连续方程来

完成得。对第q相,有

（2-1）

其中:为质量源项，在默认情形下方程2-1右端源项为零，但当您给每一相指定

常数或用户定义得质量源，则右端不为零。主相得体积分数得计算基于如下约束:

（2-2）

2、2属性计算

出现在输运方程中得属性就是由存在于每一控制容积中得分相决定得。假

设两相流系统中，相由下标1与2表示,，若第二相得体积分数被跟踪，那么每一单

元中得密度如下：

（2-3）

通常，对n相系统，容积比率平均密度采用如下形式：

（2-4）

所有其她属性都以这种方式计算。

2、3动量方程

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通过求解整个区域内单一得动量方程,得到得速度场就是由各相共享得。动

量方程取决于通过属性p与pi得所有相得容积比率，方程如下：

(2-5)

2、4能量方程

能量方程在各相中也就是共享得，表示如下：

(2-6)

其中:一有效热导率;——源项，包括辐射以及其她体积热源；

E------总能量。

VOF模型处理能量E与温度T,作为质量平均变量：

(2-7)

这里每一相得就是基于该相得比热与共享温度得到。属性与就是被各相共享得。

包含辐射得贡献,也有其她得容积热源°

2、5标量方程

根据您问题得定义，在求解时或许涉及到附加得标量方程。在紊流情形时，只

求解一套输送方程，素流变量(如k与0被通过整个区域得各相共享。

2、6界面得描述

Fluent中对气液界面额描述有四种方案:几何重建;物质接受;欧拉显式;欧拉隐式。

本文采用儿何重建法。假定相界面在每个计算单元内通过一线性形状计算穿过

界面得对流及位置等信息如图2-1所示。其中白色部分代表气相区域，阴影部分

代表液相区域，中间得分隔线代表气液相界面。

2、7时间依赖

对时间依赖得VOF计算，方程2-1得求解使用显式得时间匹配方案。Fluent

自动地为体积分数方程得积分细分时间步长,可以通过修改Courant数值影响这

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这里与分别就是壁面额单位法向量与切向量这个接触角与一个单元正常计算得

表面法向量联合决定了表面得局部曲率，这个曲率常用于调整表面张力计算中得

体积力项。接触角壁面与壁面上界面切线得夹角如图2-2所示。

secondphase

泮

直

接

模

拟

滞

流

模

拟

方

法

图

2-3湍流模拟分类

湍流模型在数值模拟计算中至关重要，模型得选择直接影响计算结果得正确

性。具体模型分类详见图2-3。直接模拟就就是直接对N-S方程进行求解，理论

上能得到精确值解,但计算难度高不容易实现。非直接模拟就是对某部分进行简

化处理，从而得到近似解。实际应用中，比较常用得有标准k-£模型与RNGk-£模

型。本文采用了标准k-e模型,下面将对标准k・g进行具体阐述：

标准k-e模型由湍动能k与湍流耗散率£两个方程组成，其中湍动粘度为k与£

得函数

(2-19)

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标准得匕£模型得方程可以表示为

(2-20)

(2-21)

式中,就是速度梯度引起得湍能项,就是由浮力引起得湍能项。

(2-22)

对可压缩流体，有式中,Pr就是湍动普朗特数。

就是膨胀系数，。

为脉动扩张项。对可压缩流体,。

其中为湍动马赫数，。

当流体不可压缩时,，.当忽略源项时“，上述方程简化为：

(2-23)