[论文解读] TwoPhaseFlow: An OpenFOAM based framework for development of two phase flow solvers

Henning Scheufler, Johan Roenby|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2021

Fluid Dynamics and Heat Transfer被引用 15

一句话总结

本文提出 TwoPhaseFlow，一个基于 OpenFOAM 的开源框架，可简化先进两相流求解器的开发与验证，尤其适用于相变和表面张力建模。通过集成运行时选择机制，该框架实现了曲率计算方法（高度函数法、抛物线拟合法、重构距离函数法）与相变模型（界面热阻模型、直接热流模型）的快速实现与对比，使虚假电流降低了一个多数量级，并在结构化与非结构化网格上均提升了精度。

ABSTRACT

One of the prevailing challenges in Computational Fluid Dynamics is accurate simulation of two-phase flows involving heat and mass transfer across the fluid interface. This is currently an active field of research, which is to some extend impaired by a lack of a common programming framework for implementing and testing new models. Here we present a new OpenFOAM based open-source framework allowing fast implementation and test of new phase change and surface tension force models. Capitalizing on the runtime-selection mechanism in OpenFOAM, the new models can easily be selected and compared to analytical solutions and existing models. As a start, the framework includes the following curvature calculation methods for surface tension: height function, parabolic fit, and reconstructed distance function method. As for phase change, interface heat resistance and direct heat flux models are available. These can be combined with three solvers covering the range from isothermal, incompressible flow to non-isothermal, compressible flow with conjugated heat transfer. By design, addition of new models and solvers is straightforward and users are invited to contribute their specific models, solvers, and validation cases to the library.

研究动机与目标

• 解决两相流模型开发与测试中缺乏标准化、可扩展的编程框架的问题，尤其涉及热质传递过程。
• 降低表面张力模拟中的寄生电流，这是体积分数（VoF）方法中的主要挑战，会损害模拟精度。
• 实现相变现象（包括界面处的质量传递与温度跃迁条件）的精确且稳定模拟。
• 通过 OpenFOAM 的运行时选择机制，促进表面张力与相变模型的快速原型设计与验证。
• 同时支持几何 VoF（isoAdvector）与颜色函数 VoF（MULES）的界面推进方法，确保在不同网格类型下的兼容性。

提出的方法

• 利用 OpenFOAM v1812 的运行时选择机制，实现表面张力与相变模型的动态加载与对比，无需重新编译。
• 实现三种曲率计算方法：高度函数法（HFM）、抛物线拟合法（fitParaboloid）与重构距离函数法（RDF），以实现高精度的表面张力力计算。
• 集成三种相变模型：显式与隐式基于梯度的模型，以及 Schrage 模型，所有模型均旨在最小化数值振荡与界面模糊。
• 支持三种求解器：从等温不可压缩流到非等温可压缩流并包含共轭传热，实现跨多种物理状态的模拟。
• 采用几何 VoF（isoAdvector）与颜色函数 VoF（MULES）进行界面推进，其中前者在表面张力与曲率计算中精度更高。
• 在相变模型中采用隐式耦合温度与质量通量，以避免时间步长限制并提高稳定性，方法与 Batzdorf 和 Sato 以及 Niceno 的方法一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个模块化、开源的框架，以加速 OpenFOAM 中两相流模型的开发与验证？
• RQ2 在结构化与非结构化网格中，相较于标准的 gradAlpha 模型，先进曲率模型（RDF、fitParaboloid）在多大程度上能降低虚假电流？
• RQ3 不同相变模型（Schrage、显式/隐式梯度）在与各种界面重构方法耦合时，其精度与稳定性表现如何？
• RQ4 该框架是否能在包括可压缩流与含共轭传热的非等温流在内的多种流动状态下保持精度与稳定性？
• RQ5 界面推进方法（几何法 vs. 颜色函数 VoF）对表面张力与相变模拟精度有何影响？

主要发现

• 与标准 OpenFOAM 的 gradAlpha 模型相比，RDF 与 fitParaboloid 曲率模型在结构化与非结构化网格上均使虚假电流降低了一个多数量级。
• 在结构化六面体网格上，RDF 与 fitParaboloid 在正弦波基准测试中与解析解近乎完全一致，而 gradAlpha 显示出显著偏差。
• 在非结构化四面体网格上，RDF 保持高精度，而 fitParaboloid 展现出定性正确的行为；相比之下，gradAlpha 无法准确捕捉波的振幅。
• 在所有测试案例中，几何 VoF 方法（isoAdvector）在表面张力与曲率计算的精度上始终优于颜色函数 VoF（MULES）。
• RDF 曲率模型与直接热流（DHF）相变模型的组合，可实现相变现象的稳定且精确模拟，且数值振荡极小。
• 该框架通过 rhoReactionThermo 成功支持多组分相建模，为未来扩展至基于浓度的反应性两相流提供了可能。