表面张力建模

在相间相互作用中激活表面张力模型后，会在 VOF 模拟中包括表面张力效应。可以将每个相间相互作用的表面张力系数 $σ$ 指定为材料属性。还应指定每个壁面边界处的表面张力接触角。

考虑液滴的湿润和扩散现象对基体的影响。惯性、粘性、毛细管和接触线力控制两个流体和一个固体之间的自由表面处的接触线（三相交线）动力学 ([607])。表面张力系数 $σ$ 定义为创建单位面积的自由表面所需的工作量。

接触角 $θ$ 描述固体壁面对自由表面的影响。相间相互作用的接触角幅值取决于接触的流体和固体对以及温度。在三相交线（即壁面和两个液相互相接触的线）处测量接触角。假设指定的值相对于相间相互作用的主相。接触角的值小于 $90 °$ 意味着相正在湿润壁面，如下图中的 (a) 部分所示：

为了符合接触角值的通常约定（如上图所示），将液相定义为相互作用的主相。

默认情况下，表面张力模型使用静态接触角计算三相交线附近的自由表面曲率。但是，使用静态接触角无法满足许多流体的动力学，导致许多应用中出现不切实际的自由表面形状。对于这些应用，可以定义动态接触角。

实际上，接触角被视为三相交线速度的函数。三相交线是壁面和两个液相互相接触的线。一些简单模型基于使用单一前进和撤回角的阶跃函数，而其他模型使用平滑阶跃函数。这些模型适合于惯性主导的流体，因为动态接触角不高度依赖于速度。

其他模型（如 Kistler 相关性）适用于毛细管主导的流体。毛细管是自由表面与固体壁面接触时观察到自由表面上升或下降的现象。可以通过考虑粘附（流体和固体壁面分子之间的吸引力或排斥力）和凝聚（流体分子之间的吸引力）效应来解释毛细管现象。这些模型尝试考虑前进和撤回接触角对三相交线速度的依赖性。在前进和撤回过程中，发现静态前进和撤回接触角分别增大或减小。在大多数情况下，可从接触角磁滞确定静态前进和撤回接触角：针对固定三相交线测量的最小和最大接触角。

对表面张力建模时，考虑以下建议和限制：

自由表面曲率的计算对网格质量敏感。因此，为了在粗糙网格上也能获得较好的结果，建议使用笛卡尔网格。
Kistler 相关性同时适用于惯性主导流体和毛细管主导流体。但是，不能在滑移壁面处使用毛细管数驱动的动态接触角方法。在滑移壁面处三相交线速度始终计算为 0，因此没有接触角的变化。
在某些情况下，在毛细管主导流体的交界面流场中会出现振荡。如果在动态接触角指定中使用混合函数，则可以减弱或消除这些振荡。混合 Kistler 方法使用混合函数，请参见 Eqn. (2618)。此外，建议将激活界面动量耗散模型与动态接触角方法结合使用，以移除交界面处的附着流。将交界面人工粘度指定为足够大可减少附着流，但保持该值尽可能小可避免影响模拟结果。
如果交界面显示太多弥散，且其他处理（如减少时间步长）不会改善结果，则可以调整流体体积 (VOF) 中的“锐化因子”设置。从默认值 0 增大此值可减少交界面处的数值扩散。对于表面张力主导的流体，设置较高的值可以提高交界面的分辨率。提高锐化因子会增加保持体积守恒所需的运行时间。

注	设置“交界面人工粘度”和“锐化因子”时应格外小心，因为额外的人工粘度和锐化可能导致非物理行为。

要对表面张力建模：

打开相间相互作用模型选择对话框，然后从可选模型组合框中选择表面张力。
设置相应属性。
- 如果要在表面张力系数中包括空间变化效应，则激活 Marangoni 对流。
- 如果要对处于固定状态的液滴（表面张力、重力和剪切力处于平衡状态，不存在净液滴运动）建模，则激活接触角磁滞。倾斜表面上受气流剪切作用的水滴，即是此类应用的一个示例。激活时，此属性可用于为前进和撤回接触角指定不同的值。
- 如果表面张力是模拟中的主导物理机制，则激活半隐式表面张力。将额外稳定性项添加到动量方程。
请参见表面张力属性。
设置边界条件。对于每个壁面边界，为相间相互作用设置接触角方法。
- 如果接触角磁滞未激活（默认设置）：
  - 对于使用静态接触角值计算表面张力的应用，将相应值设为常数。当流体前进或撤回时，接触角不会发生变化。
  - 对于需要动态接触角的应用，可以使用混合 Kistler 方法来定义接触角。或者，可以定义自己的动态接触角与用户场函数的相关性。
- 如果已激活接触角磁滞，则使用相应方法来定义动态接触角：
  - 如果前进和撤回接触角取决于毛细管数，则使用 Kistler 方法。
  - 如果前进和撤回接触角不取决于毛细管数，则使用准动态方法。
Kistler 方法依赖于毛细管数，这会对模拟的稳定性产生不利影响。准动态方法不受此限制影响。
请参见边界设置。
如果对动态接触角建模，则设置前进接触角和撤回接触角值。
请参见边界设置。