优势
● 对复杂的工业多相系统进行建模，无需进行广泛的几何体简化
● 以高保真度进行多相应用仿真
● 使用基于可用资源的出色多相建模技术获得精确结果
摘要
在实现可持续未来的激烈竞争中，新产品设计必须考虑到环境问题。为了尽可能提高性能，仿真范围必须扩展到系统级数字孪生。因此，应用更有可能是多相的。例如，泵可能是单相应用，但其系统可能不是。
除多相外，较大的问题还可能涉及多种流状态，例如混合物、自由曲面、喷雾或流体膜。这对经典多相模型来说是一个挑战，因为这些模型是针对单一流态设计的，已经不能满足许多应用的计算流体力学(CFD)仿真需求。如果没有新方法，我们就只能仿真部分问题，或接受超出其适用范围的不精确方法。如何缩小这一差距？
Simcenter STAR-CCM+提供了解决方案
凭借其行业领先的创新混合多态多相技术，Simcenter STAR-CCM+软件可以提供对设计的新见解，让您加快工作速度。您无需简化即可对整个系统的复杂性进行建模，从而释放提高性能的潜力。Simcenter STAR-CCM+是Siemens Xcelerator软硬件和服务业务平台的一部分。
Simcenter STAR-CCM+提供：
● 可混合使用的多相模型综合生态系统。这使解决方案可以快速适应任何本地情况
● 多状态建模功能，支持混合物和自由曲面共存
● 可加速解决方案的补充技术，包括自适应网格细化(AMR)和自适应时间步进
多相模型
图1.对撞击旋转齿轮的油流进行从VOF到LMP的解析多相仿真。
Simcenter STAR-CCM+中的多相模型生态系统可满足工业多相流中的各种情况：
● 流体体积(VOF)：捕捉自由曲面和高分辨率细节，例如单个液滴和气泡。应用包括船舶仿真和汽车应用等，例如水管理和动力总成润滑
● 混合多相(MMP)：对相之间速度差异（滑移）较小的混合物进行建模。应用包括多相泵和动力总成润滑等
● 欧拉多相(EMP)：对允许相更独立地表现并具有显著滑移水平的混合物进行建模。适用于石油和天然气、核能以及化学/加工等应用。
● 分散多相(DMP)：对具有低体积分数的分散相进行建模。适用于飞行器结冰等应用
● 流体膜：对液滴撞击2D表面时形成的液壁膜进行建模（厚度未解析）。应用包括喷涂、涂层、飞行器结冰和车辆水管理等
图2.车辆水管理（LMP-VOF-薄膜）。
● 拉格朗日多相(LMP)：对离散相（例如液滴喷雾或粒子流）进行建模。适用于喷雾中无法表示为混合物的弹道液滴
● 离散元方法(DEM)：对重视粒子形状和粒子-粒子接触的粒子流进行建模。应用包括挖掘、钻孔、农业以及食品和材料搬运等
以上每个模型分别对应一种需求，但也可结合使用以充分发挥其潜力。
混合多相–多模型方法
在Simcenter STAR-CCM+中，西门子率先推出了一种创新的混合方法，允许多个多相模型无缝协作。这样每个模型都可以用于各自对应的流态，而不会超出其适用范围。
一种常见的混合多相策略是扩展VOF模型，将其与流体膜和LMP模型结合使用，以获得较小规模的多相特征。使用VOF解析这些特征的计算成本很高，但混合多相策略可以防止出错。
这种方法分别使用LMP和流体膜对小液滴和薄膜进行建模。VOF只需要捕获大规模的流特征。这样可以高保真度和置信度仿真以前不切实际的应用。
应用包括车辆水管理、燃油喷雾分解、电动机冷却和家用电器流体管理等。混合多相方法围绕几个关键相位相互作用而构建：
● 混合VOF薄膜（解析薄膜）：对不同厚度的流体膜建模，当网格足够细或流体量足够大时可无缝过渡到VOF（反之则返回）。涵盖关键物理场（例如整个过渡过程中的曲面张力）的影响
● VOF-拉格朗日解析跃迁：使用VOF捕获射流断裂等重要物理特性，同时对生成的液滴使用成本更低的拉格朗日模型
● LMP-薄膜撞击和剥离：对拉格朗日液滴撞击流体膜并从中剥离进行建模，包括飞溅效应
图3.射流分裂(VOF-LMP)。
图4.电动机冷却（VOF-薄膜-LMP）。
除这些相互作用外，您还可以加入更复杂的物理特性（例如沸腾、空化和反应），并通过高级种群平衡模型满足各种液滴或气泡大小的需求。
多状态建模
除混合多相建模外，Simcenter STAR-CCM+还能处理体相流体中的不同状态。两个相的相互作用会因流体性质、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。
图5.洗碗机中的流体管理（VOF-薄膜-LMP）。
许多多相问题涉及自由曲面和混合物共存的一系列状态。这对于传统多相模型无疑是一个挑战，因为它们只适用于一种状态。使用这些模型解决此类问题会导致解决小细节的计算成本过高，或因无法捕获重要物理特性而出错。
图6.显示混合物分离的多相泵。
图7.部分解析的齿轮润滑。
Simcenter STAR-CCM+提供创新的多相建模，可以缩短这一差距：
● 大规模接口(LSI)模型：允许自由曲面和混合物共存，可用于EMP和MMP模型。与MMP结合使用时，它提供一个单一模型，兼具VOF（对于自由曲面）和MMP（对于混合物）的优点。它可以快速运行以前使用VOF处理的仿真，而无需解析每个细节
● 多状态模型：使用LSI模型或混合状态对两相在尖锐的自由曲面相遇时的情况进行建模，通过相位反转实现状态过渡
补充技术
仿真多状态流需要支持不同的尺度，小到气泡、液滴或薄流体膜，大到解析自由曲面。这些不同的尺度可能会使仿真成本高昂。Simcenter STAR-CCM+提供多种工具，可实现数量级加速：
● 基于模型的AMR：基于自由曲面的细化提供一种自动工具，可使自由曲面保持锐利，并只在必要时使用网格。该模型无需用户输入即可从粗略的初始网格自动生成所需的网格
● 基于模型的自适应时间步长：基于自由曲面的自适应时间步长可预测和调整捕捉可能出现的任何小细节所需的时间步长，允许在流较为平静时使用较大的时间步长