多相流体

多相流这个术语指相间存在不同交界面的同一系统中的多个相的流体和相互作用。Simcenter STAR-CCM+ 将相共存的流选项视为:液体中的气泡、气体中的液滴、气体或液体中的固体颗粒和/或(大尺度)自由表面流。

术语“相”通常指物质的热力学状态:固体、液体或气体。在建模术语中,相具有更广义的定义,并且可定义为系统中的物质量,其本身具有用于区别于该系统中其他相的物理属性。例如:

  • 不同密度的液体
  • 不同大小的气泡
  • 不同尺寸和/或重量的固体颗粒

多相流与多组分流体不同。在多组分流体中,不同组分在分子级别混合。这些组分具有相同的对流速度。在多相流体中,不同的相在宏观尺度上混合。这些相具有不同的对流速度。很多流体是多相多组分流体。

多相流体可分为两类:

  • 离散流体,例如气泡、液滴和颗粒流体
  • 分层流体,例如自由表面流或管道中的环形液膜流体。

如果相占用断开的空间区域,则将其视为离散相,否则视为连续相。

Simcenter STAR-CCM+ 提供以下不同多相流模型来满足这两个流体类别的要求:

模型 关键应用 应用示例
离散多相流 (DMP)

以欧拉方式模拟连续相(稀释多相混合物)中离散的低负载颗粒的流。提供拉格朗日多相流模型的轻型替代方法。为每个离散相求解质量、动量和能量守恒方程。连续相的输运方程通过单相模型进行求解。

DMP 模型适用于离散相体积分数较低的液滴、气泡和固体颗粒的离散流。

  • 车身污染
  • 航空航天结冰
  • 低压蒸汽轮机级中的湿蒸汽


欧拉多相流 (EMP)
该基于穿透连续体的概念的模型可对每个相的质量、动量和能量的守恒方程进行求解。这些相共用压力场,需要对相间相互作用进行建模才能闭合方程组。相间相互作用模型旨在定义一个相在与另一个相之间的交界面面积上对该相施加的影响。EMP 模型用于对气泡、液滴、固体颗粒的离散流进行建模,以及对离散流和分层流的组合建模。
  • 鼓泡塔
  • 混合容器
  • 沉淀池
  • 流化床
  • 多相分离器
  • 阶梯溢洪道

  • 多相泵

  • 相变设备







液膜
使用边界层近似值以及通过液膜深度的假定速度和温度分布来预测壁面液膜的动态特征。液膜传输使用横跨形成液膜的固体壁面表面的薄壳进行预测。
液膜模型适用于在表面上的分层薄膜流体。
  • 车辆雨水管理
  • 选择性催化还原反应 (SCR)
  • 燃料喷射
  • 润滑
  • 喷涂/结晶
  • 飞机防冰




混合多相流 (MMP)
简化的多相流模型可用于对易混溶相流进行建模。在此模型中,通过将多相混合物假设为仅求解一组输运方程的均匀单相系统,可减少计算工作量。
MMP 模型适用于液体或气体液滴中气泡混合物的离散流。
  • 部分求解的变速箱/油箱晃动
  • 多相泵
  • 燃料电池
  • 锅炉
  • 蒸汽发生器




两相热力学平衡

简化的多相混合物实现,专用于涉及处于热力学平衡的相同物质(通常为水和蒸汽)的两相。

两相热力学平衡模型适用于同一材料的两个热力学相的离散流。

  • 蒸汽发生器
  • 锅炉
  • 蒸汽轮机


流体体积 (VOF) 多相

用于包含两个或更多不混溶液相的系统,其中每个相在系统内构成较大的结构(如典型的自由表面流)。此方法可捕捉液相之间的交界面的移动,且经常用于船舶应用。

VOF 模型适用于分层流体(自由表面)。

  • 船舶流体动力学和耐波性
  • 油箱晃动
  • 油气流动保障
  • 内燃机冷却




离散元方法 (DEM)

此模型是拉格朗日架构的扩展。对单个颗粒进行建模,而不是对具有代表性的粒子束进行建模,并明确考虑颗粒之间的接触力。DEM 用于对颗粒形状和碰撞行为很重要的密集填充颗粒流进行建模。

DEM 模型适用于体积分数较高的离散固体颗粒的离散流体。

  • 流化床
  • 岩石力学
  • 输送集料
  • 片剂包衣
  • 堵塞油井中的裂缝
  • 作物收割和草坪修剪




平滑颗粒流体动力学 (SPH)

SPH 是一种数值方法,它克服了基于网格的模型出现的与网格相关的约束,同时仍基于纳维-斯托克斯方程。

由于其拉格朗日特性和颗粒方法,SPH 方法可以对涉及具有复杂交界面的动态流的各种应用建模。

SPH 特别适用于快速的动态流和复杂的边界,包括具有断裂和重新连接的交界面,如破碎的波浪、射流和飞溅以及移动部件。

  • 油浴式动力系统润滑
  • 晃动


拉格朗日多相流 (LMP)

对离散相的代表性粒子束穿过系统时的运动方程进行求解。对于连续相,求解质量、动量和能量守恒方程。它适用于主要由携带相对较小体积的离散固体颗粒、液滴或气泡的单一连续相组成的系统。它适用于离散相与物理边界的相互作用至关重要的情况。

LMP 模型适用于体积分数较低的离散颗粒(气泡、液滴、固体颗粒)的离散流。

  • 车辆水管理
  • 旋风分离
  • 侵蚀
  • 气雾扩散
  • 液体燃料燃烧
  • 喷雾冷却
  • 喷涂


Simcenter STAR-CCM+ 提供多相和相间相互作用模型选择,可模拟各种多流态和多尺度多相流。此外,混合建模还可用于对相材料的多个流态进行建模,方法是使用多个不同的多相流模型的组合。

此外,还开发了通用架构,用于指定可定义相对彼此之间相互作用方式的模型。这些模型称为相间相互作用。

多相流模型还可结合 Simcenter STAR-CCM+ 中提供的补充技术使用,例如用于预测离散相的大小分布的粒数衡算建模、可提供求解细化网格的自适应网格细化 (AMR),以及可自动调整时间步的自适应时间步进。