基于FLUENT三种多相流模型的选择及应用说明

闫文标

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

多相流是新成长起来的一门新兴课程，其是基于流体力学、传热学、Fluid assurance等科目的底子上的，在能源生产、工业生产上，具有非凡的意义。它广泛存在于石油工业、航天技术、能源动力、环境等许多工业部门。多相流技术开始于1970年代，当初的目的是用于海上大型气田和凝析气田的发展。但工业界对多相流的研究尚不成熟，对油井采出物，平台结构及工人施工的设计都不十分了解。由于原子能研发及载人航天技术的快速发展，动力及石油工业的引人，极大的发展了多相流的研究及其应用。另一方面，随着计算机技能和数值理论的飞速成长，对各种复杂流动的数值分析已达到满足生产的要求。多相流数值模拟在学术研究和工业生产中得到了广泛应用[1]。

1 多相流动模式

现在，在生活、生产中的大多数流动几乎都是多相流动。气、液和固体是多相流研究的物质。一般多相流动中，相被界说为一种对混合在一起的流体及势场有一定的惯性反映及彼此作用的可分辩的物质。通常把含两相或者两相以上物质的流体称为多相流。比如说，在开采天然气时，采出的天然气中存在一些砂，泥等物质。这就是一个很复杂的流动。在我们研究时，因为气、液有流动性，称之为流体。当砂等固体掺杂到流体，若流速达到一定条件，可以将三者视为一体。故，在一定条件下处理气、液、固体的流动问题。物质混合流动是现在工业生产厄待解决的问题。最普通的多相流为两相流。两相以上的流动主要存在于石油产业中，如油、气、水三相流，甚至油、气、水、沙四相同时存在的流动。

多相流以两相流动最为常见。主要有四种类型：气—液两相流体系（如抽吸），液—液两相流体系（如浮选、洗刷），气—固两相流体系（如充满粒子的流动、流化床等）和液—固两相流体系（如泥浆流、沉降运动）。

2 多相流模型

在FLUENT中，使用欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法对多相流进行探究。欧拉-欧拉法观察空间的点，记录空间每个点上的物理量变化。欧拉-拉格朗日法观察流体质点，记录每一质点的每一位置和每一时间点的每个物理量变化。在多相流模型中，欧拉-欧拉方法用来研究连续介质，属于欧拉-欧拉型模型。

Fluent提供了三种欧拉-欧拉型多相流模型：VOF （Volume of Fluid） 模型、混合 （mixture）模型和Euler模型。

2.1 VOF模型（Volume of Fluid Model）

VOF模型一种应用于固定的Euler网格上的界面追踪技术。一般可以利用该模型得到互不相容流体间的交界面。该模型中，一套动量方程用于每一相流体，在整个计算域内追踪每一相所占有的体积率。VOF模型可以求得任意液-气分界面的稳态或者瞬态分界面。特别对空气和水的混合流动时，最好的方法就是利用VOF模型来研究。如在分离液相和气相的移动界面的不可压缩流流体中，运用VOF模型来实现体积/质量守恒和界面捕获。在对流计算中，VOF解决体积分数的构件[2]。在应用中，若每个控制体中第一相的体积含量为β。如果β=0，则控制体不含第一相；β=1，则含第一相；0＜β＜1，则证明控制体有两相交界面。另外，VOF模型采用体积分数函数表示自由面的位置和流体所占的体积，这在计算机运行时，内存占据小，方便快速计算。

2.2 混合模型（Mixture Model）

混合模型是一种简化的两（多） 相流模型，它的相可以是流体或颗粒，并被互相穿插的连续统一体。也用于相间速度有差异的两（多）相流进行数值模拟，但是在短空间计算时，必须假设一部分相与相间耦合很强。同时也用于模拟有很强烈耦合的各向同性相流和各相以相度运动的两（多） 相流。在VOF和Mixture多相流模型在空泡流模拟中的应用，文中，采纳了简化了的混合模型，运用单一流体-空泡流体，来模拟忽略重力和考虑重力各相不同速度的多相流[3]。另外，混合模型也很适用于含气泡的流体。在基于不同多相流模型的气浮接触区流动的模拟研究中，Mixture多相流模型对典型的气浮接触区流动进行动态模拟研究，研究气泡在混合区中的均匀度、接触和浓度变化[4]。混合模型也在旋风分离器中应用广泛，这对除砂器的设计，有重要帮助。通常，在设计除砂器时，都是假设气、砂两相混合流，此时用混合模型研究，是最优选择。因为在多相流进入旋流分离器时，是速度有差别。

2.3 欧拉模型（Eulerian Model）

Euler模型是两（多） 相流中非常繁杂的两（多）相流模型，叫做流体模型。在模拟中，液、气和固体可以随意组合，也能互相作用，其中连续相与分散相被视为连续的一体。 就是运用了这一点。另外，Euler模型对每相使用Euler方法进行描述，然后列出动量方程和连续性方程，进行压力和相间互换系数的耦合来进行计算。HF Meier；M.Mori在气旋中的气固流：欧拉-欧拉方法研究中，分别对清洁空气流，稀释后的空气流和玻璃球颗粒采用欧拉模型，进行压降测试，模拟常规旋风分离器中的稀释气固流[5]。欧拉模型通常应用于流化床和悬浮颗粒等。

3 应用选择基本原则

通常，你一旦知道了采纳那种模型最符合现实的流体，那么就可以根据以下的原则来选取最好的模型。

3.1 VOF模型（Volume of Fluid Model）

用于流动清晰的相界面。适用的流型有活塞流、分层流型，还有自由流动表面。最优模型就是空气和水的流动模型。

3.2 混合模型（Mixture Model）

一种简化的、各相以不同速度流动的多相流模型。在模型中，各相允许相互穿插。另外，还可以模拟各相以同一速度流动、耦合强的均匀多相流。混合模型没有欧拉模型精确度高，当相间曳力不容易测量时，混合模型是最好的选择。当分散相分布不集中如除砂器除砂时，分布很散，采用混合模型研究方便，快速。对于泥浆流和水力输送，采纳混合物模型

3.3 欧拉模型（Eulerian Model）

对于粒子流、流化床、沉降等可以采取欧拉模型。另外，如果分散相主要集中在一小块区域中时，采用欧拉模型比较好，因为与混合模型相比较，欧拉模型计算精度高，那么计算区域集中的部分，用欧拉模型，精确分析，结果更准确。对相间曳力规律明显的流体流动，采纳欧拉模型，是最好的选择。

处理多相流时，根据研究或者事故最重要的流动特征，选择最合适的模型，进行处理分析，建模，数值模拟。每种模型有优点，但又有一定的缺陷，如，欧拉模型计算精确度比混合模型高，但是计算过程复杂，在一些复杂运算中，稳定性也没有混合模型稳定。主要是因为解的收敛性受到了限制。

4 结语

选择合适的多相流模型，然后利用多相流数值模拟的快捷，节约人力，结果便于分析等特点，对于多相流能更快速的分析与预测。这对石油工业、能源等领域非常重要。