優勢

對復雜的工業多相系統進行建模，無需進行廣泛的幾何體簡化

以高保真度進行多相應用仿真

使用基于可用資源的出色多相建模技術獲得精確結果

摘要

在實現可持續未來的激烈競爭中，新產品設計必須考慮到環境問題。為了盡可能提高性能，仿真范圍必須擴展到系統級數字孿生。因此，應用更有可能是多相的。例如，泵可能是單相應用，但其系統可能不是。

除多相外，較大的問題還可能涉及多種流狀態，例如混合物、自由曲面、噴霧或流體膜。這對經典多相模型來說是一個挑戰，因為這些模型是針對單一流態設計的，已經不能滿足許多應用的計算流體力學(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

憑借其行業領先的創新混合多態多相技術，Simcenter STAR-CCM+軟件可以提供對設計的新見解，讓您加快工作速度。您無需簡化即可對整個系統的復雜性進行建模，從而釋放提高性能的潛力。Simcenter STAR-CCM+是Siemens Xcelerator軟硬件和服務業務平臺的一部分。

Simcenter STAR-CCM+提供：

可混合使用的多相模型綜合生態系統。這使解決方案可以快速適應任何本地情況

多狀態建模功能，支持混合物和自由曲面共存

可加速解決方案的補充技術，包括自適應網格細化(AMR)和自適應時間步進

多相模型

圖1.對撞擊旋轉齒輪的油流進行從VOF到LMP的解析多相仿真。

Simcenter STAR-CCM+中的多相模型生態系統可滿足工業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節，例如單個液滴和氣泡。應用包括船舶仿真和汽車應用等，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）較小的混合物進行建模。應用包括多相泵和動力總成潤滑等

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

分散多相(DMP)：對具有低體積分數的分散相進行建模。適用于飛行器結冰等應用

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

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行建模。應用包括挖掘、鉆孔、農業以及食品和材料搬運等

以上每個模型分別對應一種需求，但也可結合使用以充分發揮其潛力。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新的混合方法，允許多個多相模型無縫協作。這樣每個模型都可以用于各自對應的流態，而不會超出其適用范圍。

一種常見的混合多相策略是擴展VOF模型，將其與流體膜和LMP模型結合使用，以獲得較小規模的多相特征。使用VOF解析這些特征的計算成本很高，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行建模。VOF只需要捕獲大規模的流特征。這樣可以高保真度和置信度仿真以前不切實際的應用。

應用包括車輛水管理、燃油噴霧分解、電動機冷卻和家用電器流體管理等。混合多相方法圍繞幾個關鍵相位相互作用而構建：

混合VOF薄膜（解析薄膜）：對不同厚度的流體膜建模，當網格足夠細或流體量足夠大時可無縫過渡到VOF（反之則返回）。涵蓋關鍵物理場（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行建模，包括飛濺效應

圖3.射流分裂(VOF-LMP)。

圖4.電動機冷卻（VOF-薄膜-LMP）。

除這些相互作用外，您還可以加入更復雜的物理特性（例如沸騰、空化和反應），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。兩個相的相互作用會因流體性質、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。這對于傳統多相模型無疑是一個挑戰，因為它們只適用于一種狀態。使用這些模型解決此類問題會導致解決小細節的計算成本過高，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+提供創新的多相建模，可以縮短這一差距：

• 大規模接口(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）的優點。它可以快速運行以前使用VOF處理的仿真，而無需解析每個細節
• 多狀態模型：使用LSI模型或混合狀態對兩相在尖銳的自由曲面相遇時的情況進行建模，通過相位反轉實現狀態過渡

補充技術

仿真多狀態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，可實現數量級加速：

基于模型的AMR：基于自由曲面的細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格。該模型無需用戶輸入即可從粗略的初始網格自動生成所需的網格

基于模型的自適應時間步長：基于自由曲面的自適應時間步長可預測和調整捕捉可能出現的任何小細節所需的時間步長，允許在流較為平靜時使用較大的時間步長