在 ANSYS Fluent 中对气液多相流进行建模对于理解各种工业过程中的复杂相互作用至关重要。无论是在化学反应器、石油管道还是环境系统中，准确仿真气相和液相的行为对于优化性能和确保安全都至关重要。ANSYS Fluent 提供了强大的工具来捕获这些流动的动力学，提供了不同的建模方法，如欧拉-欧拉和欧拉-拉格朗日方法。欧拉多流体 VOF、AlAD（代数界面面积密度）和 GenTOP（GENeralized TwO Phase）模型为系统模拟气-液系统和气-液流中的混合流态和态态转变提供了关键要素。这些流动通常涉及瞬态模式，例如段塞流、环形流等。当存在多个流拓扑（液滴、气泡或分离流）时，通常会发生这些情况，这需要独特的特殊 Eulerian Closure 建模技术、复杂的界面捕获方法和智能状态转换检测算法。本博客将展示使用 GenTOP（GENeralized TwO Phase）模型设置气泡柱问题。
要模拟的气泡柱是一个 3D 矩形气泡柱，如图 1 所示。表面速度为 0.5 m/s 的空气通过塔底部的分布器引入。不对分布器几何的细节进行建模。相反，它被视为面积为 2 x 10 的均匀入口表面4平方米。塔中的液体是水，在出口处使用压力出口边界条件。
图1：气泡塔示意图[1]。
要设置模型，请选择基于压力的瞬态求解器，并在 -Y 方向设置重力加速度为 -9.81 m/s。从材料面板复制水-液体和空气的材料属性。激活欧拉多相模型，在状态转换模型下选择广义两相流 (GENTOP)。对体积分数方程使用隐式公式。确保欧拉相数设置为 3，如图 2 所示。
图 2. 多相模型面板
选择液体作为主要相，空气作为次要相，再次选择空气作为其相并启用 GENTOP 相建模（图 3）。第二相和第三相的直径将切换为 Sauter-mean，因为它将来自人口平衡模型。
图 3：多相模型面板-相选择。
为三相对启用适当的相相互作用。在这种情况下，我们将仅激活水：空气和水：气泡对的阻力系数，并将系数分别设置为通用阻力和石祖贝尔。这样做是为了使模型保持简单。将表面张力系数设置为 0.072 N/m，如图 4 所示。
图 4：相位相互作用力。
设置空气相的 2 个箱体群体平衡模型，比率指数 (𝒒) 为 1。将最小直径 ( 𝒅 𝒎𝒊𝒏 ) 设置为 0.01 m。Fluent 将根据公式 1 自动计算最大直径。
𝒅 𝒊 =𝟐 𝒊∙𝒒/𝟑 ∙𝒅 𝒎𝒊𝒏 (1)
其中，i代表箱号。将气泡相最小直径设置为 0.03 m。保持默认的破碎和聚结模型处于活动状态，如图 5 所示。
图 5：人口平衡模型面板
将湍流模型设置为 k-omega SST，湍流阻尼系数为 10。启用生产限制器并在湍流多相模型下选择混合物。设置空气入口，速度大小为 0.5 m/s，体积分数为 1。bin-0 和 bin-1 的边界值可以设置为 0.5。在这种情况下，空气相将以两种不同大小的液滴形式注入静止水柱中。当上升的空气液滴相互作用时，它们会聚结或分裂。当它们聚结时，空气液滴会变大，并进入 GENTOP 相，即气泡相。
保留默认的空间离散化方案，并验证仅对流动变量的高阶项松弛因子设置为 0.7。在松弛因子下保留默认值。激活自动保存选项，每 0.1 秒流动时间保存一次数据文件。用水湍流动能 1e-5 m 2 /s 2和水比耗散率为 100 s -1初始化该情况。为柱子的顶部 0.1 米创建一个单元寄存器。用空气相和 bin-1 分数 1 修补此区域。在 XY 平面上创建水的体积分数轮廓，如图 6 所示。
图 6：塔内初始体积分数分布
创建等值为 0.5 的相气泡等值面。接下来将上述轮廓和等值面添加到场景中。激活解决方案动画并设置每 0.05 秒流动时间捕获一次场景。将时间推进设置为自适应并选择多相特定方法。将总解决方案时间设置为 1 秒并运行计算。随着计算的进行，动画将展示气体液滴演变为 GENTOP 相气泡的过程。
与本文相关的更多详细信息，请访问以下链接：
https://www.ansys.com/resource-center/webinar/mixed-flow-regime-modeling-in-ansys-fluent
https://www.ansys.com/resource-center/webinar/multiscale-modelling-simulations-multiphase-flows
https://www.ansys.com/blog/model-multiphase-flow
参考：
[1] Ansys Fluent 多相流建模研讨会：气泡柱