Zarówno w codziennych życiu, jak i w praktyce inżynierskiej spotykamy się z wieloma zjawiskami, w których istotny udział biorą różne substancje o odmiennych parametrach i stanach skupienia. Przepływy wielofazowe, w terminologii fizycznej, to przepływy płynów, które doświadczają wzajemnych interakcji i posiadają widoczny rozdział między sobą.
Odwzorowanie tego typu zjawisk bywa dużym wyzwaniem w dziedzinie obliczeń CFD, szczególnie biorąc pod uwagę szeroki zakres ich charakteru – od falowania morza po atomizację płynów w gazach. Interakcje wielofazowe mogą znacząco różnić się między sobą ze względu na stosunek sił, które determinują ich przebieg, takich jak: bezwładność, napięcie powierzchniowe, kąt zwilżania, wielkość obszaru powierzchni rozdziału faz oraz rozpiętość skali tych zjawisk.
Czym jest XFlow?
To program, który posiada szczególnie rozwinięte możliwości analizy zjawisk wielofazowych. Oferuje wyspecjalizowane modele dla różnych przypadków interakcji fizycznych. Dla większości modeli wielofazowych XFlow w wersji 2022x wspiera również wykorzystanie GPU do obliczeń, co skutkuje znaczącym przyspieszeniem kalkulacji.
Modele wielofazowe w XFlow
Free Surface
To najprostszy model, który zakłada występowanie w domenie tylko cieczy (domyślnie wody) o wyraźnej powierzchni swobodnej. W zasadzie nie jest on wielofazowy, ale możemy go wykorzystać, kiedy oddziaływanie gaz-ciecz (zazwyczaj powietrze-woda) jest pomijalnie małe. Przestrzeń wolna od płynu potraktowana zostanie jako próżnia.Tego typu sytuacja dotyczy wielu zastosowań hydrodynamicznych (np. obliczenia opływu kadłuba łodzi), w których gęstość i lepkość wody ma dominujące znaczenie ponad efektami oddziaływania z powietrzem. W takich scenariuszach można również zazwyczaj pominąć efekty powierzchniowe, takie jak napięcie powierzchniowe oraz kąt zwilżania.
Particle-based tracking
Do symulacji w XFlow zjawisk, w których istotnie jest dobre odwzorowanie powstawania kropel i mocno zaburzonych powierzchni rozdziału faz, najlepszym wyborem będzie model Praticle-based tracking. W takiej sytuacji efekty inercyjne są dominujące nad efektami powierzchniowymi ze względu na dużą dynamikę symulowanego zjawiska przepływowego. W tym modelu śledzone są pozycje cząstek poruszających się niezależnie od sieci dyskredytacyjnej domeny obliczeniowej.
Dostępne w XFlow adaptacyjne zagęszczanie sieci obliczeniowej pozwala optymalizować zużycie zasobów, jednocześnie zachowując wysoką dokładność tam, gdzie jest to pożądane – czyli np. na powierzchni rozdziału faz. Poniższa animacja pokazuje uderzenie kropli wody w cienki film płynu oraz ich dynamiczną interakcję. Poniżej przykład symulacji, w której zastosowano opisywany model. Więcej o symulacji łodzi z napędem mechanicznym, stworzonej przez Leonarda da Vinciego dowiesz się z naszego artykułu.
Phase field
Model Phase Field pozwala odwzorować szczegółowo zjawiska występujące w mikrofluidyce oraz wszędzie tam, gdzie efekty powierzchniowe są bardzo istotne dla efektu przepływu. Na załączonej animacji możemy zaobserwować wpływ kąta zwilżania ściany badanej geometrii na zachowanie kropli wody spływającej po niej.
VOF
Model Volume Of Fluid (VOF) jest rozwiązaniem pośrednim między wspomnianymi powyżej: Phase Field oraz Particle-based tracking. Daje możliwość stosunkowo dobrego uwzględnienia efektów powierzchniowych przy analizach obejmujących duża skalę zjawisk. Załączona animacja pokazuje użycie tego modelu w symulacji gdzie następuje interakcja płynu i opadającej swobodnie bryły, która po kontakcie z powierzchnią wywołuje falowanie, a następnie osiada w pozycji równowagi między jej ciężarem i siłą wyporu cieczy.
Dlaczego warto korzystać z XFlow?
XFlow oferuje szeroki zakres modeli obliczeniowych, które pozwalają na symulację wielu zjawisk interakcji płynów, także z widocznym rozdziałem międzyfazowym. Wysoką wartością jest tutaj:
- łatwość obsługi oprogramowania,
- wydajna kalkulacja (także z wykorzystaniem GPU – co może wielokrotnie przyspieszyć pracę),
- przejrzysta obróbka danych wynikowych.
Zapraszam do zapoznania się również z innymi artykułami w temacie XFlow na naszym blogu, gdzie na przykładach omówione są szerokie możliwości XFlow pod względem analizy ruchu obiektów w domenie przepływowej.
