液膜流建模

Simcenter STAR-CCM+ 假设对包含背景流体的体表面上的液膜进行建模。当背景流体占据常规区域时，液膜必须在三维壳区域中流动。

设置液膜分析之前，必须已使用单相或多相流体模型和相关流体材料定义物理连续体。可以对稳态或非稳态模拟中的液膜建模。

对于稳态模拟，以下条件适用：

  • 不支持欧拉多相流模拟中的碰撞、对欧拉相的波状剥离以及液膜-VOF 相间相互作用。
  • 必须在液膜流体模型中激活稳定液膜厚度方程。

    有时，稳态液膜设置具有膜厚度等式的零系数矩阵。如果液膜厚度和液膜速度最初设为零，则可能发生此问题。发生此问题时，必须在液膜流体模型中激活稳定液膜厚度等式选项才能使模拟运行。

液膜模拟可包括碰撞、液膜剥离、蒸发、冷凝和沸腾等效应。还可以对由电化学反应引起的液膜组分、液膜-气体相互作用和二次电流分布之间的反应进行建模。

要设置液膜模拟：

  1. 打开提供了背景流体的物理连续体的物理模型选择对话框。从可选模型组中，选择液膜模型。
  2. 在物理模型选择对话框的左侧面板中，右键单击液膜 > 液膜相节点，然后选择新建。
    Simcenter STAR-CCM+ 将添加液膜相。
  3. 指定液膜相材料：
    1. 选择液膜 > 液膜相 > [薄膜相] 节点。
    2. 在相模型选择对话框的右侧面板的材料组合框中，选择适用于分析的材料。

      虽然液膜通常由一个或多个液体组分构成，但是也可以包含固体组分。任何固体组分均可建模为悬浮在流体中的颗粒。

      • 液体

        此模型适用于涉及到对拉格朗日、欧拉或离散相进行液膜剥离的应用。

      • 液 - 固 - 气混合物

        此模型适用于不同热力学状态同时存在的应用。最常见的示例是液体和颗粒固体混合物，通常称为浆料。

      • 多组分液体

        此模型适用于涉及沸腾或蒸发和冷凝的应用。

    3. 只能为液 - 固 - 气混合物和多组分液体选择反应期。

      请参见燃烧和其他反应流体。

    4. 选择 Equation of State(状态方程)。
      请参见常规状态方程模型。
    5. 在可选模型组合框中，选择适合相应分析的可选液膜相模型。

      请参见液膜相模型。

    6. 在相模型选择对话框的左侧面板中，右键单击液膜相，然后单击模拟选择。
      相模型选择对话框将关闭，且模拟树中将选中液膜相。
  4. 指定液膜相材料组分：

    • 对于液体，默认相材料是水。如果想要对其进行更改，可右键单击液体 > H2O 节点，然后单击替换为...。

      在替换材料对话框中，选择适当的液体材料。

    • 对于液 - 固 - 气混合物，为要添加的每种组分执行以下操作：

      右键单击混合物组分节点，单击选择混合物组分，然后单击组分类型：气体、液体或固体。

      在选择混合物组分对话框中，选择相应的材料。

    • 对于多组分液体，为要添加的每个组分执行以下操作：

      右键单击混合物组分节点，然后单击选择混合物组分。

      在选择混合物组分对话框中，选择相应的液体材料。

  5. 设置液膜相材料属性，以匹配想要建模的薄膜：
    1. 对于每种液膜相组分，展开材料属性节点并设置各个组分的属性。
    2. 仅对于液 - 固 - 气混合物和多组分液体，展开混合物的材料属性节点并设置混合物的属性。
  6. 选择 [液膜相] > 初始条件节点，然后进行以下设置：
    1. 选择液膜厚度节点，为初始厚度提供一个值或函数。

      液膜：液膜流体教程演示了如何使用场函数根据空间位置定义初始厚度。

    2. 对于多组分相，在组分指定节点上设置适当的方法，然后指定相的每一组分的质量分数或摩尔分数的初始值。

      要改进收敛，应始终指定质量分数或摩尔分数的初始值，即使相在开始时为空（即，初始液膜厚度为 0.0）。对于开始时为空的相，建议将初始质量分数设为相在进入求解域时所具有的质量分数值。

  7. 在包含流体区域的表面上创建液膜区域：
    1. 展开区域 > [包含区域] > 边界节点。选择多个希望液膜在其上流动的边界。包括没有初始液膜但在模拟期间接收液膜（例如由于碰撞或冷凝）的边界。
    2. 右键单击其中一个选定边界，然后选择创建壳区域。
      Simcenter STAR-CCM+ 将新的壳区域添加到模拟树。此外，Simcenter STAR-CCM+ 还根据流体区域的原始边界创建流体区域与壳区域之间的交界面。
    3. 设置壳区域连续体以指定与壳区域相关联的液膜相。


      壳区域连接到液膜相后，它成为模拟的活动部分。

    4. 采用在 Simcenter STAR-CCM+ 中设置任何其他流体的同样方式，设置液膜流体的壳区域边界、交界面和物理条件。

      选择的边界类型将该类型的适用条件应用于液膜。



      同一流体区域中的边界属于同一壳区域。

    5. 如果液膜从一个壳区域传递到另一个壳区域，可以使用原位交界面连结这两个区域。
    6. 在物理条件 > 初始条件选项节点中，定义初始液膜条件。
      默认情况下，壳区域使用连续体的全局设置。如果要为壳区域设置其他初始条件，选择指定区域值，然后在初始条件节点下设置相应值。
    7. 如果想要对移动壳区域进行建模，需要将相应的运动或移动参考坐标系分配给从中创建了壳的体积区域。
      在关联壳区域中的物理值 > 定义运动节点中设置指定的运动和参考坐标系。这些设置在壳区域中为只读。前导区属性表示壳区域跟随的体积区域。此区域是从中创建壳区域的体积区域。
液膜模型支持可添加到模拟的更多选项：
  • 因蒸汽冷凝而形成并因蒸发而减小的液膜。
  • 因液滴碰撞而形成并因液膜剥离而减小的液膜。
  • 因沸腾而减小的液膜。
  • 连续体中欧拉或拉格朗日相的被动标量跟踪。
  1. 在物理连续体中选择相应的可选模型：
  2. 如果要计算膜上的曳力，在液膜相中激活“形状曳力”模型。
    将曳力系数 C D （请参见 Eqn. (2753)）设为壳区域属性（区域 > [壳区域] > 物理值 > 曳力系数）。

    请参见形状曳力模型参考。

在“多相流相互作用”节点下，设置适当的相间相互作用。创建相间相互作用时，可以指定两个相互作用的相。将自动选择适当的相间相互作用拓扑。
  1. 在物理连续体中，右键单击模型 > 多相流相互作用 > 相间相互作用节点，然后选择新建 > [相 1] > [相 2]。
  2. 在相间相互作用模型选择对话框中，选择相应的模型，例如边缘剥离和碰撞。
    有关相间相互作用类型和可用于每种类型的可选模型的信息，请参见液膜相间相互作用。
  3. 准备液膜分析：
    1. 要查看壁面表面上的液膜厚度，需要创建包含液膜壳区域壁面边界的标量场景，并将标量场函数设为液膜厚度。
      有关示例，请参见教程 > 多相流 > 液膜：液膜流体 > 可视化求解。
    2. 要查看沿一条线的液膜厚度分布，首先在液膜壳区域上创建平面截面衍生的部件。此衍生部件是一条线，因为液膜壳区域厚度为零。在场函数设为液膜厚度的 X-Y 绘图中使用衍生部件。