问题笔记：多相流仿真计算质量不守恒处理办法？

2023-08-07 22:21 作者:好好学习的Mark秦 0人读过 | 我要投稿

最近很长一段时间受困于封闭腔多相流动仿真不守恒的问题，无论是fluent、starccm+、CFX等都可能存在此类问题。百度搜索了很多关键词，但是，往往只见问题，未见答案。

网上也有一些建议，例如

https://www.cnblogs.com/liusuanyatong/p/11259758.html

https://wenku.baidu.com/view/5a96e43c51ea551810a6f524ccbff121dd36c5ea.html?_wkts_=1691391767489

https://www.zhihu.com/tardis/zm/art/161299032?source_id=1005

这些分析笔记可以作为解决此类问题的参考。但也并不完全奏效。

如下是最近处理多相流仿真计算质量不守恒问题的处理办法，仅供参考！

1、先确定要研究的问题需要用稳态还是非稳态计算，这个非常重要。

fluent manual中steady-state and transient VOF calculations章节明确说了这么一段话：

A steady-state VOF calculation is sensible only when your solution is independent of the initial conditions and there are distinct inflow boundaries for the individual phases.

大概意思是“只有当结果与初始条件无关，并且各相都有明确的流入（入口）边界时，才适合采用稳态 VOF方法进行计算。”

并且举例做了说明：

For example, since the shape of the free surface inside a rotating cup depends on the initial level of the fluid,

such a problem must be solved using the time-dependent formulation.On the other hand,the flow of water in a channel with a region of air on top and a separate air inlet can be solved with the steady-state formulation.

大概意思是，例如旋转杯内的液体自由表面分布状态这种跟初始液位高度有关的模拟过程必须要用非稳态显示算法求解。像通道内下侧为水，上侧为气体的流动仿真，可以用稳态求解。

因此封闭腔体内的两相流动理论上必须采用非稳态求解器进行计算：场景包括：微热管内的蒸发冷凝，汽包锅炉管束内的自循环蒸发冷却系统，匀加速运动的罐车内液体的液位分布等等。

而另外一些场景，可以用稳态计算的敞口系统，如果计算量不大，能用非稳态计算也尽量用非稳态去计算。因为根据我这段时间的测试，稳态计算出现质量不守恒的问题非常突出。尤其是必须采用非稳态计算的那些场景，一但采用稳态计算，随着迭代步数的增加，就会出现质量不守恒的问题，这可能是因为稳态计算（选择稳态计算时，不可用显式Explicit算法，只能用隐式implicit算法）在求解体积分数方程时，当前时间步下单元体内的体积分数是其他量的函数，它不依赖于上一个时间步的体积分数，导致随着迭代的进行，体积分数会不断变化，无法稳定下来。（参考fluent manual中 the implicit formulation的理解，不一定对。）

2、确定了第一步问题适用的求解类型后，需要设置时间步长（假设所有情形都用非稳态进行计算）

第一、如果采用隐式非稳态计算（implicit可以采用非稳态或稳态求解，但Explicit只能用非稳态），时间步长可以设置的很大（从0.00001s到s级都可以设置），默认的courant number约为200（记不清了），这样在计算长时间流动的两相流问题时有很大优势，能在较短时间内出来几个小时的流动分布结果，但是较大的时间步，会导致系统质量不守恒，除非你不关心质量守恒（比如研究是时开口流动问题），可以采用这种方法。如果比较看重质量守恒问题，可以尝试调小时间步长到0.0001或者更小。

第二、如果采用显示非稳态计算，courant number默认值为2，可以采用自适应时间步长设置时间步。如果调大courant number（可以调至200），对应的自适应时间步长会增大，总的计算时间会缩短，但是，计算很容易发散，即使不发散，计算过程也会出现质量不守恒的现象。

3、在设置两相流动界面计算方式的时候，慎重选择Dispersed、sharp等选项，我算的这些方案表明，它对质量守恒影响不大，但是对系统密度和体积分数分布影响较大。

总之一句话：多相流仿真如果出现质量不守恒问题，不管是VOF还是Mixture模型，尽量改成Explicit+sharp+自适应时间步长试试，courant number保持默认值2，不要调大，调大还是不守恒。