優(yōu)勢

對復(fù)雜的工業(yè)多相系統(tǒng)進(jìn)行建模，無需進(jìn)行廣泛的幾何體簡化

以高保真度進(jìn)行多相應(yīng)用仿真

使用基于可用資源的出色多相建模技術(shù)獲得精確結(jié)果

摘要

在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)未來的激烈競爭中，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須考慮到環(huán)境問題。為了盡可能提高性能，仿真范圍必須擴(kuò)展到系統(tǒng)級數(shù)字孿生。因此，應(yīng)用更有可能是多相的。例如，泵可能是單相應(yīng)用，但其系統(tǒng)可能不是。

除多相外，較大的問題還可能涉及多種流狀態(tài)，例如混合物、自由曲面、噴霧或流體膜。這對經(jīng)典多相模型來說是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些模型是針對單一流態(tài)設(shè)計(jì)的，已經(jīng)不能滿足許多應(yīng)用的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真需求。如果沒有新方法，我們就只能仿真部分問題，或接受超出其適用范圍的不精確方法。如何縮小這一差距？

Simcenter STAR-CCM+提供了解決方案

憑借其行業(yè)領(lǐng)先的創(chuàng)新混合多態(tài)多相技術(shù)，Simcenter STAR-CCM+軟件可以提供對設(shè)計(jì)的新見解，讓您加快工作速度。您無需簡化即可對整個系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行建模，從而釋放提高性能的潛力。Simcenter STAR-CCM+是Siemens Xcelerator軟硬件和服務(wù)業(yè)務(wù)平臺的一部分。

Simcenter STAR-CCM+提供：

可混合使用的多相模型綜合生態(tài)系統(tǒng)。這使解決方案可以快速適應(yīng)任何本地情況

多狀態(tài)建模功能，支持混合物和自由曲面共存

可加速解決方案的補(bǔ)充技術(shù)，包括自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化(AMR)和自適應(yīng)時間步進(jìn)

多相模型

圖1.對撞擊旋轉(zhuǎn)齒輪的油流進(jìn)行從VOF到LMP的解析多相仿真。

Simcenter STAR-CCM+中的多相模型生態(tài)系統(tǒng)可滿足工業(yè)多相流中的各種情況：

流體體積(VOF)：捕捉自由曲面和高分辨率細(xì)節(jié)，例如單個液滴和氣泡。應(yīng)用包括船舶仿真和汽車應(yīng)用等，例如水管理和動力總成潤滑

混合多相(MMP)：對相之間速度差異（滑移）較小的混合物進(jìn)行建模。應(yīng)用包括多相泵和動力總成潤滑等

歐拉多相(EMP)：對允許相更獨(dú)立地表現(xiàn)并具有顯著滑移水平的混合物進(jìn)行建模。適用于石油和天然氣、核能以及化學(xué)/加工等應(yīng)用。

分散多相(DMP)：對具有低體積分?jǐn)?shù)的分散相進(jìn)行建模。適用于飛行器結(jié)冰等應(yīng)用

流體膜：對液滴撞擊2D表面時形成的液壁膜進(jìn)行建模（厚度未解析）。應(yīng)用包括噴涂、涂層、飛行器結(jié)冰和車輛水管理等

圖2.車輛水管理（LMP-VOF-薄膜）。

拉格朗日多相(LMP)：對離散相（例如液滴噴霧或粒子流）進(jìn)行建模。適用于噴霧中無法表示為混合物的彈道液滴

離散元方法(DEM)：對重視粒子形狀和粒子-粒子接觸的粒子流進(jìn)行建模。應(yīng)用包括挖掘、鉆孔、農(nóng)業(yè)以及食品和材料搬運(yùn)等

以上每個模型分別對應(yīng)一種需求，但也可結(jié)合使用以充分發(fā)揮其潛力。混合多相–多模型方法

在Simcenter STAR-CCM+中，西門子率先推出了一種創(chuàng)新的混合方法，允許多個多相模型無縫協(xié)作。這樣每個模型都可以用于各自對應(yīng)的流態(tài)，而不會超出其適用范圍。

一種常見的混合多相策略是擴(kuò)展VOF模型，將其與流體膜和LMP模型結(jié)合使用，以獲得較小規(guī)模的多相特征。使用VOF解析這些特征的計(jì)算成本很高，但混合多相策略可以防止出錯。

這種方法分別使用LMP和流體膜對小液滴和薄膜進(jìn)行建模。VOF只需要捕獲大規(guī)模的流特征。這樣可以高保真度和置信度仿真以前不切實(shí)際的應(yīng)用。

應(yīng)用包括車輛水管理、燃油噴霧分解、電動機(jī)冷卻和家用電器流體管理等。混合多相方法圍繞幾個關(guān)鍵相位相互作用而構(gòu)建：

混合VOF薄膜（解析薄膜）：對不同厚度的流體膜建模，當(dāng)網(wǎng)格足夠細(xì)或流體量足夠大時可無縫過渡到VOF（反之則返回）。涵蓋關(guān)鍵物理場（例如整個過渡過程中的曲面張力）的影響

VOF-拉格朗日解析躍遷：使用VOF捕獲射流斷裂等重要物理特性，同時對生成的液滴使用成本更低的拉格朗日模型

LMP-薄膜撞擊和剝離：對拉格朗日液滴撞擊流體膜并從中剝離進(jìn)行建模，包括飛濺效應(yīng)

圖3.射流分裂(VOF-LMP)。

圖4.電動機(jī)冷卻（VOF-薄膜-LMP）。

除這些相互作用外，您還可以加入更復(fù)雜的物理特性（例如沸騰、空化和反應(yīng)），并通過高級種群平衡模型滿足各種液滴或氣泡大小的需求。

多狀態(tài)建模除混合多相建模外，Simcenter STAR-CCM+還能處理體相流體中的不同狀態(tài)。兩個相的相互作用會因流體性質(zhì)、混合量和仿真分辨率而有所不同。相可以在解析的自由曲面相遇或形成混合物。

圖5.洗碗機(jī)中的流體管理（VOF-薄膜-LMP）。

許多多相問題涉及自由曲面和混合物共存的一系列狀態(tài)。這對于傳統(tǒng)多相模型無疑是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冎贿m用于一種狀態(tài)。使用這些模型解決此類問題會導(dǎo)致解決小細(xì)節(jié)的計(jì)算成本過高，或因無法捕獲重要物理特性而出錯。

圖6.顯示混合物分離的多相泵。

圖7.部分解析的齒輪潤滑。

Simcenter STAR-CCM+提供創(chuàng)新的多相建模，可以縮短這一差距：

• 大規(guī)模接口(LSI)模型：允許自由曲面和混合物共存，可用于EMP和MMP模型。與MMP結(jié)合使用時，它提供一個單一模型，兼具VOF（對于自由曲面）和MMP（對于混合物）的優(yōu)點(diǎn)。它可以快速運(yùn)行以前使用VOF處理的仿真，而無需解析每個細(xì)節(jié)
• 多狀態(tài)模型：使用LSI模型或混合狀態(tài)對兩相在尖銳的自由曲面相遇時的情況進(jìn)行建模，通過相位反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)過渡

補(bǔ)充技術(shù)

仿真多狀態(tài)流需要支持不同的尺度，小到氣泡、液滴或薄流體膜，大到解析自由曲面。這些不同的尺度可能會使仿真成本高昂。Simcenter STAR-CCM+提供多種工具，可實(shí)現(xiàn)數(shù)量級加速：

基于模型的AMR：基于自由曲面的細(xì)化提供一種自動工具，可使自由曲面保持銳利，并只在必要時使用網(wǎng)格。該模型無需用戶輸入即可從粗略的初始網(wǎng)格自動生成所需的網(wǎng)格

基于模型的自適應(yīng)時間步長：基于自由曲面的自適應(yīng)時間步長可預(yù)測和調(diào)整捕捉可能出現(xiàn)的任何小細(xì)節(jié)所需的時間步長，允許在流較為平靜時使用較大的時間步長