vof方法模拟膜态沸腾下气泡的生长
用CFD方法模拟膜生物反应器内部流场及布气优化
中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室 天津 ! * F 天津工业大学 0 ' M '环境与化学工程学院 ) ) ! @ D 北京 * 北京 * # F 中国科学院生态环境研究中心污染控制研究室 ) ) ) @ A ! F 北京市交通运输环境保护中心 ) ) ) * ! 天津 ! + F 天津膜天膜科技股份有限公司 ) ) + A D
收稿日期 # ) * # E * * E # D 基金项目 国家自然科学青年基金 # $ % 国家水体污染控制与治理科技重大专项 # $ A * ! D @ ! + G( A * * ) @ ! * + # ) * * H g ) D ! * D E ) ) * 作者简介 王 ! 捷# $ & 男& 副教授 & 博士 & 主要从事膜法水处理技术的研究 & # $ ' * G D G E ; E < 0 3 & W 0 / 3 9 8 ' 9 ? ' 6 / ! = B B >
!! 为了减缓膜面污染及维持高浓度的污 泥 生 化降 " 解 能 力 &膜 生 物 反 应 器 # Z 9 < M . 0 / 9J 3 % . 9 0 6 8 % . 运行过程中 需 要 高 强 度 的 曝 气 作 用 ' 因 此 与 ZJ S$ 其它污水处理工艺相比 & ZJ S 运行中需要 很高的 能 其中膜擦洗曝气 ( 生化工艺曝气能耗占 系 统 运行 耗& ) ** 能耗的 D ' 因此了解各种布 气 方式下 ZJ "` S内 部流场特 性 & 对 于 合 理 设 计 ZJ S 构型及布气方式 以达到节能降耗的目的至关重要 ' 由于反 应 器 内部 流场复杂多变 & 因此仅通过实验手段获得整体流场 分布特性受到 一 定 的 局 限 性 ' 近 年 来 & 随着计算流 " 技术 体力学 # 2 % < 8 0 8 3 % / 0 &V & 3 ?I / 0 < 3 6 C 2 V I$ > K 已在反应器设 计 ( 优 化中 得到 及其软件的迅速发展 & # E +* 了广泛的应用 ) & 它的优势在于应用数值软件求解 可以实现过程设计 ( 优 化以 及 放大 ' 如今 描述过程 & A E @* 已成为解决工程问题的一种新的手段 ) ' 内 部 流 场 数 值 模 拟 属 于 气 液 两相流范 ZJ S ) G E * #* 畴 & 气液两相流是 常 见 的 一 种 物 质 流 动 & 广泛应 * ) E * #* 用于 工 程 和 环 境 领 域 中 ) ' 在 ZJ 运 行 过程 S 中& 曝气是重要的环节 & 曝气的作用一方面 是 向 反 应 以保证好氧微生物所需 的溶 解氧 % 另一 器内充空气 & 方面是吹扫膜组件 & 气泡对膜面的冲刷剪切以减缓膜 * * ! E * A 污染) ' 对于 Z 由于 J S 构型 及 布气 方式的优 化 & 有些问 工程实际装置的复杂性及实验条件的局限性 & 题在实验室难以完 成 ' 而 计 算 流 体 力 学 模 拟 可 以 实 )" * 现及预见工程放大可能出现的一些问题 '\ . % & &等 * 运用 2 V I 对应用 最广 泛的 Z J S 反应池 构 型 进行 了 二维数值模 拟 & 对 其进行布 气 方式 优化 & 考 察了 特 定 曝气强度和布气方式对 Z J S 运行特性的影响 ' 在上述研 究 的 基 础 上 & 运用 2 V I 数值模拟方法 对曝气引发的 Z 同时 J S 内流场的状态进 行了分 析 & 比较了曝气管正对 齐 膜 组 件 下 方 # 简称+ 对 齐, 布 气$ 及+ 对齐 , 布气时在膜单元两侧加上曝气导流板 # 简称 + 对齐 , 导流布气 $ 构型的改进给 Z J S 内部流 场 带来 的改变 & 由此 提出 了布气方 式 的优 化方案 & 以便 为 大 型Z 工程设计提供相应的理论基础 ' J S
fem-vof法
fem-vof法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：FEM-VOF法是一种用于模拟多相流动的计算方法，其中FEM代表有限元法，VOF代表体积分数函数（Volume of Fluid）。
这种方法结合了有限元法和体积分数函数的优势，能够准确地描述物质的界面和相互作用。
在工程领域和科学研究中，FEM-VOF法被广泛应用于模拟液体-气体或液体-固体等多相流动现象。
FEM-VOF法的基本原理是将流体的体积分数信息用一组分数函数表示，并通过有限元法来求解流体的动力学和质量输运方程。
在这个方法中，流体的体积分数函数在每个有限元上都有定义，可以准确地描述流体的位置和界面形状。
通过在每个时间步长内迭代求解流体的动力学和质量输运方程，可以得到流体的运动轨迹和界面形状。
FEM-VOF法的优点之一是可以处理复杂的界面形态，如液滴与固体表面的接触线和气泡与液体之间的交界面。
由于有限元法的高精度和体积分数函数的几何完整性，FEM-VOF法能够准确地模拟流体的表面张力和阻力等物理现象，为研究多相流动提供了有力的工具。
FEM-VOF法还可以结合其他数值方法，如LBM（Lattice Boltzmann Method）和SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics），来提高计算效率和精度。
这种多种数值方法的结合可以克服各自的局限性，拓展了FEM-VOF法在多相流动领域的应用范围。
在工程应用中，FEM-VOF法广泛用于模拟液体冷却过程、气泡吸附和流动分离等过程。
通过对流体的动力学和质量输运方程的数值模拟，工程师和研究人员可以预测流体的行为和性能，优化设备设计和工艺参数，提高生产效率和产品质量。
FEM-VOF法是一种有效的多相流动模拟方法，具有高精度、准确性和可靠性。
在工程领域和科学研究中，它为研究多相流动现象提供了重要的数值工具，促进了流体力学和传热传质领域的发展。
随着计算机技术的不断进步和数值模拟方法的不断发展，FEM-VOF法将在更广泛的领域展现其优越性和应用前景。
气泡上升过程的Fluent模拟
气泡上升过程的Fluent模拟
本文利用Fluent的VOF模型模拟了水中气泡上升的过程。
计算域网格如下图，几何尺寸为20cm×10cm，共12800个网格
图1 计算域网格
边界条件：顶部为压力出口条件，表压为0，第二相即液体体积分数设为0，其余为wall条件
模型设定：选用VOF模型，勾选implicit body force，主相设为空气，次相设为水，勾选wall adhesion选项，表面张力系数设定为1。
初始化：初始化all zones，然后用region adoption命令patch水面高度0.15m，在高度0.01m处patch一个半径为0.008m的气泡（water 体积分数0）。
初始化后体积分数如下图
图2 初始时刻水和空气的体积分数分布
计算：时间步长设定0.001s，计算1000步。
可以根据需要设定动画
结果：下列是几个时刻的空气水体积分布
图3 t=0.1s时的体积分布
图4 t=0.2s时的体积分布
图5 t=0.4s时的体积分布
图6 t=0.46s时的体积分布
图7 t=0.48s时的体积分布
图8 t=0.49s时的体积分布
图9 t=0.50s时的体积分布
图10 t=0.7s时的体积分布。
膜态沸腾及多孔介质蒸腾模拟研究
膜态沸腾及多孔介质蒸腾模拟研究沸腾换热研究是传热学的重要组成部分,对热工学的理论拓展及应用研究有重要意义。
与对流换热相比,在同等流量条件下,沸腾传热通过相变气化潜热带走更多热量,增强了换热能力。
同时,在气液两相沸腾传热过程中,汽化产生的气泡运动过程中对周围液体进行剧烈扰动,从而进一步增强了其热质交换能力。
本文采用CFD软件作为技术手段,对膜态沸腾中的单气泡演化及多孔介质蒸腾问题进行了模拟研究,深入理解膜态沸腾及多孔介质沸腾换热的机理,以期指导相关的工程应用。
论文首先概括介绍了气液两相流中的气泡动力学研究以及多孔介质光热转化材料的研究进展。
对现有的多相流研究方法进行了简要综述,同时对沸腾传热的数值模拟理论以及相关模拟软件进行介绍。
在对文献调研及熟悉软件的基础上,根据前人的实验研究结果,通过CFD软件对所构建的模型进行数值模拟计算。
首先,通过构建UDF函数以满足实际条件下的膜态沸腾气泡生成情况,气泡由底层气体界面演化,而非采用初始化气泡方式生成。
在该UDF条件下采用VOF模型于微观层面对模型的气化成核与单气泡演化进行了模拟研究;其次,选取模型中的主要物性参数进行对照试验,研究不同参数与单气泡演化之间的影响关系;最后,利用沸腾换热原理,在宏观层面上对多孔介质蒸腾现象进行模拟研究,并根据实际情况增加辐射模型条件,对多孔介质池沸腾模型在太阳辐射条件下进行研究。
其中本文主要研究结果如下:1.在对模型中的单气泡演化模拟研究发现,膜态沸腾过程中气泡成核主要包含膨胀及拉伸两个阶段。
在气泡上升过程中,气泡附近流体形成涡流,增强热质交换能力。
2.在对单气泡气泡动力学影响因素研究中发现,液体表面张力及液体黏度增加,会延长气泡脱离时间,且气泡直径增加;液体密度及初始温度梯度增加,气泡脱离时间变短且形态无明显变化。
3.根据沸腾换热理论,结合上述膜态沸腾研究结果,宏观研究了多孔介质加速蒸发现象。
结果表明,对于顶层加热的含有多孔介质材料的池沸腾模型,存在液相区、两相区、蒸汽区三个区域,蒸汽集中于加热面与多孔介质之间,温度越高,蒸汽区向多孔介质材料内侵蚀,影响蒸汽产生效率。
VOF模型在流体力学中的作用
VOF模型在流体力学中的作用VOF（Volume of Fluid）模型是一种常用的数值模拟方法，广泛应用于流体力学领域。
该模型基于保守方程和界面捕捉技术，可以有效地模拟多相流动的现象和行为。
在以下几个方面，VOF模型在流体力学中发挥着重要作用：1. 界面捕捉和跟踪VOF模型能够精确地捕捉和跟踪液体与气体或其他流体之间的界面。
通过计算不同流相在空间中的体积分布，VOF模型可以确定界面位置并实时更新。
这对于模拟液体流动、泡沫、水滴、雾气等多相流体现象非常重要，为研究界面行为和变化提供了可靠的数值工具。
2. 流体动力学分析VOF模型能够提供丰富的流体动力学信息。
通过解算Navier-Stokes方程和质量守恒方程，VOF模型可以准确地描述液体的运动行为，包括速度分布、压力变化等。
这使得VOF模型在分析液体流动的特性、研究流体力学问题以及模拟流体工程系统等方面发挥着重要作用。
3. 液滴研究VOF模型在液滴研究中具有广泛应用。
液滴是许多现象和工程应用中的重要组成部分，如喷雾、泡沫、涂覆等。
通过VOF模型可以模拟液滴的形状、运动和破裂等行为。
这对于研究液滴在不同条件下的变化、优化流体设备以及优化涂覆和喷雾过程具有重要意义。
4. 水动力学分析VOF模型在水动力学分析中有广泛应用。
在模拟水体运动、波浪和涌浪、河流和海洋中的潮汐运动等方面，VOF模型能够提供准确的数值预测。
通过VOF模型可以研究水体的流动特性、液面变化、水流结构等，为水工程和海洋工程的设计和优化提供了有力支持。
总之，VOF模型在流体力学中的作用体现在界面捕捉和跟踪、流体动力学分析、液滴研究以及水动力学分析等多个方面。
由于其精确性和可靠性，VOF模型成为研究多相流体行为和模拟流体力学现象的重要工具，为流体力学领域的研究和应用提供了有力支持。
vof方法
vof方法
VOF法（Volume of Fluid技术）是一种流体介质中二相流动模拟技术，是对传统的
多孔固体有限差分技术方法进行改进。
此方法基于VOF技术引入流体体积分数，使不同相
的流量可以在相之间迅速转换，给模拟多相流体流动带来了极大便利。
VOF技术使用流体体积分数来描述流体相的控制，每一个单元的流体体积分数值都表
示这一单元内有多少流体。
当流体相发生变化时，VOF法能够描述流体体积分数的改变，
实现流体从一处流动到另一处以及静水上发生的空间控制。
由于VOF法具有描述流体体积分数变化的能力，因此它能够模拟流体体积分数的变化，充分把握两相流动的演变，变种为各种复杂的不同相流体之间的变化，记录流动数据。
因此，它也能够模拟一种复杂的流动模式，如气液两相流的相变，油水混合态的变化，重力
流动，湍流流动等。
VOF法开创了多相流体动力学模拟的新局面，在汽车制造、化工行业和流体系统设计
方面都有应用，是一种非常实用的计算流体动力学技术。
fluent中的vof算法
fluent中的vof算法VOF（Volume of Fluid）算法是一种常用的多相流模拟方法，用于模拟液体和气体等不同相的流动行为。
该算法通过跟踪界面上的液体体积分数来描述不同相的分布情况，从而实现对多相流动的准确模拟。
本文将对VOF算法的原理、应用领域以及优缺点进行介绍。
我们来了解一下VOF算法的原理。
VOF算法基于体积分数的概念，即将流体体积分为若干小单元，通过计算每个单元中液体的体积分数来确定液体-气体界面的位置和形状。
在VOF算法中，利用控制方程对液体和气体的流动进行模拟，液体和气体之间的界面通过一个阶跃函数来表示。
在每个时间步长内，通过求解质量守恒方程和动量守恒方程，更新界面位置和形状，从而模拟多相流动的演变过程。
VOF算法在多个领域有着广泛的应用。
首先，在船舶和海洋工程中，VOF算法可以模拟船舶在波浪中的运动以及海洋中的液体-气体相互作用，用于船舶设计和海洋工程的优化。
其次，在石油工程中，VOF 算法可以模拟油水两相流动以及油井中的泡沫流动，用于石油开采和油井设计的研究。
此外，VOF算法还可以应用于化工工程、医学领域、环境工程等多个领域，用于模拟不同相的流动行为和相互作用。
虽然VOF算法在多相流动模拟中具有广泛的应用，但也存在一些局限性。
首先，由于VOF算法是基于流体体积分数的描述，对于界面上的细小结构和液滴的形成与破裂等现象模拟较为困难。
其次，VOF算法对于液体-气体界面的捕捉精度受到网格分辨率的限制，需要较为细致的网格划分才能获得准确的结果。
此外，VOF算法对于相变和表面张力等复杂现象的模拟也存在一定的困难。
VOF算法是一种常用的多相流模拟方法，通过跟踪界面上的液体体积分数来描述不同相的分布情况，实现对多相流动的模拟。
该算法在船舶和海洋工程、石油工程、化工工程、医学领域、环境工程等多个领域有着广泛的应用。
然而，VOF算法在模拟细小结构、相变和表面张力等方面存在一定的限制。
未来，随着计算资源的增强和算法的改进，VOF算法有望在多相流动模拟中发挥更大的作用，为工程领域提供更准确、可靠的模拟结果。
fluent中的vof算法
fluent中的vof算法Fluent中的VOF算法概述在计算流体力学（CFD）领域中，VOF（Volume of Fluid）算法是一种广泛应用的多相流模型。
它可以模拟液体和气体等不同相的流动，并能够准确地预测两相之间的界面位置和形状。
在Fluent软件中，VOF算法被广泛应用于各种工程问题的数值模拟中。
本文将详细介绍VOF算法的原理、应用和优缺点。
原理VOF算法基于流体的体积分数（Volume Fraction）概念，即将流场划分为一系列互不重叠的单元格，每个单元格中的流体都具有一个体积分数值。
在VOF算法中，流体的界面被定义为体积分数等于0.5的位置，这样可以准确地描述两相之间的分界面。
通过对流体的质量守恒和动量守恒方程进行求解，可以得到流体的流动状态和界面的演化过程。
应用VOF算法在工程领域有着广泛的应用。
以下是几个典型的例子：1. 水下爆炸波浪模拟VOF算法可以用于模拟水下爆炸波浪的传播和冲击效应。
通过将水和气体建模为两个不同的相，可以准确地预测爆炸波浪的形状和冲击力。
这对于海洋工程和防护结构的设计具有重要意义。
2. 液体混合与分离VOF算法可以模拟液体的混合与分离过程。
例如，在化工工艺中，通过控制液体的流动方式和入口条件，可以实现不同液体的混合和分离。
VOF算法可以帮助工程师优化流程和设备设计，提高生产效率。
3. 气泡和颗粒的运动VOF算法可以模拟气泡和颗粒在流体中的运动过程。
这对于研究气泡和颗粒在液体中的分布和聚集现象具有重要意义。
例如，在石油工业中，通过对油井中气泡和颗粒的运动进行模拟，可以优化油井的操作和生产效率。
优缺点VOF算法作为一种常用的多相流模型，具有以下优点和缺点：优点：- VOF算法能够准确地模拟两相流动的界面位置和形状，对于复杂的流动现象具有很高的精度。
- VOF算法适用于各种不同的流动问题，可以应用于液体和气体等不同相的流动模拟。
- VOF算法在Fluent软件中有成熟的实现，使用方便，计算效率较高。
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vof方法模拟膜态沸腾下气泡的生长
沸腾是热力学最基本的耦合对象，是气体液体两相流及固体热力学作用一起形成的流体状态，是冷却系统常用的换热媒。
近年来，许多学者都研究了沸腾的传热特性，以及沸腾过程中的气泡生长和消散规律，气泡影响着沸腾的抗凝着学习，沸腾传热的效果。
为了研究这一过程，现在研究者们经常利用VOF（Volume of Fluid）方法模拟沸腾下气泡的生长。
下面就VOF方法模拟膜态沸腾下气泡的生长进行介绍。
VOF（Volume of F luid）方法是一种模拟多相流动的场景中体积分数的模拟方法，它计算每一个控制网格上的液体在整个物理空间中的体积分数值，而不是只关注液体与固体界面。
通过对网格控制系数的体积，它能有效地模拟多相分层流动或液体混合物变化的复杂的流动过程。
VOF是基于一致的黏度准则来模拟液体分散的，能够有效地处理流体混溶过程中的二相渗流问题，以及复杂的液体混合物变化等过程，能够模拟各种物理和化学处理流体分散的复杂情况。
在实际应用中，VOF 方法可用于混合不同种类的流体介质混合及膜态沸腾如，回路沸腾泵、熔融运动气泡模式等重要热力学问题的数值模拟，在多相系统中VOF 方法也更容易模拟不同种类的气泡。
在膜态沸腾的模拟中，VOF优势主要体现在可以计算出过程中的体积分数，从而模拟流体膜处的传热率，以及液体相互混合的模式等，并能有效模拟流体沸腾所产生气泡的生长规律。
在沸腾过程中，相邻的液体温度分布不同，以及温度分布造成的压强差，会使气泡发生由大变小或者从小变大的状态变化，而VOF方法能够更精确有效地模拟气泡生长和消散的情况，而且可以更好地捕捉气泡破裂前后液体体积分数的变化，更好地模拟液体两相的流动过程，并可以模拟出膜态沸腾过程下气泡的消散和生长的规律，从而能够更好的反映出液体的流动特性，有利于提高沸腾传热的效果。
综上所述，VOF 方法模拟膜态沸腾下气泡的生长是一种有效的方法，只要精确的计算出液体的流动特性，即可得到较好的沸腾传热效果，因此，此方法有助于提高液体多相流动中的换热传输效果，在工程实践中也有较大的应用潜力。