多相CFD中的模型转换：Ansys Fluent中的从DPM到VOF和欧拉壁膜

了解如何使用Ansys Fluent对多相CFD中的相变进行建模，以动态选择DPM、VOF或EWF，确保对工业应用中的复杂液气相互作用进行准确、高效的仿真。

挑战

多相 CFD 中的模型转换解决了计算成本、模型有效性以及分散相和连续相之间的物理耦合等挑战。使用流体体积 （VOF） 方法完全分辨薄液膜的计算成本很高，而当薄膜变得太厚时，欧拉壁膜 （EWF） 模型将变得无效。离散相模型 （DPM） 也无法表示液滴合并后的薄膜聚结。液滴和液膜之间的相互作用是常见的工业应用，例如喷雾冷却、热交换器中的冷凝、发动机壁润湿、化学涂层工艺、管道和管道雾流以及暖通空调加湿系统。

工程解决方案

通过启用DPM、VOF和EWF之间的转换，Ansys Fluent求解器会自动应用最适合局部条件的模型——使用DPM跟踪液滴，使用VOF解析较厚的薄膜，以及使用EWF对薄膜进行建模。这确保了对液滴撞击、薄膜生长和积累的高效、准确的模拟，捕捉真实的物理效果，同时保持计算需求可控。

CFD 中的模型转换可以准确有效地模拟复杂的多相现象，例如液滴撞击、成膜和堆积。它们允许求解器根据局部条件在 DPM、VOF 和 EWF 框架之间动态切换。

Model 转换平衡了精度和计算成本：

• DPM 可有效跟踪分散的液滴。

• VOF 可解析较厚、连续的薄膜。

• EWF 将非常薄的薄膜建模为 2D 表面流动。

如果没有过渡，单个模型就无法有效地捕获分散相和连续相。

当分散液滴 （DPM） 聚结或撞击表面时，它们可能会形成连续的液膜。一旦局部积累超过阈值，液滴就会将液滴转化为分离的 VOF 相。
这种过渡以逼真的表面张力和流动动力学捕捉了连续薄膜的开始。

VOF 准确地表示厚液膜，但当膜非常薄时，成本就会变得高昂。当薄膜厚度低于规定的极限时，它将转移到欧拉壁膜 （EWF） 模型中。
EWF 将薄膜视为由表面传输方程控制的薄壁结合层，从而减少了计算工作量。如果薄膜再次变厚，它可以恢复为 VOF。

我们展示了在携带细小水滴的空气中的 U 形管道中模型转换的潜力。VOF 模型使用两个阶段实现：空气和水。DPM 和 EWF 相使用与次级 VOF 相相同的材料进行定义。我们还需要定义从一个模型过渡到另一个模型的标准，如下面的屏幕截图所示：

 

在启用 DPM 和 0.0001 秒的时间步长的情况下，设置模型并在瞬态模型中运行仿真后，我们观察到重要趋势：

• 液滴 （DPM） 在转动时撞击壁，并形成尺寸达 0.5 毫米的薄膜 （EWF）（以红色显示）。

• 随着薄膜在 U 形管底部变厚，它会过渡到分离的 VOF 区域。

• 液滴继续沉积，并可被壁上的 EWF 和底部积聚的不断增长的 VOF 薄膜吸收。

使用带有场景的动画对运行结果进行后处理，我们可以观察壁周围形成水膜的动态（使用管道壁上的轮廓），以及管道底部较厚的VOF膜（以洋红色着色），DPM粒子与两者相互作用。

这种混合建模方法以物理保真度捕获整个序列——液滴撞击→薄膜生长→液体积累——并降低了计算成本。其他设计，如雾分离器，也可以用这种方法进行建模，如Ansys学习中心中详细所示。此外，可以根据建模要求集成传热和相变。

 

好处

Ansys Fluent中启用的动态模型转换为涉及液滴、薄膜和液体积聚的工业多相流提供了显着的优势：

• 预测性见解：模拟揭示了流动或温度的变化如何影响薄膜生长和均匀性。
• 减少实验：模型转换通过突出对关键过程变量的敏感性来减少试错。
• 工艺优化：能够快速识别均匀薄膜和有效排水的最佳条件。
• 可扩展性：自动化过渡可从实验室设置无缝扩展到全面的工业系统。

这些转换允许精确、高效的多相仿真，从而在减少资源使用的情况下改进设计和验证流程。