Xflow两相流自由液面

1 关于Kernel 3d/2d 

在xflow环境设置，首先需要设定模拟问题为2维还是3维，就是通过kernal 3d/2d来完成的。3d没有好描述和说明的，特别说明2d的设置和应用，其实2d的应用最好还是在自由表面中的应用较多（xflow计算案例，例如Rayleigh-Taylor不稳定性、液滴、喷墨等），2d是在3d基础上去掉宽度方向计算，在xflow中即设定计算平面为x-y（z=0）平面二维模型。X为模型长度，y为模型高度。 

2. 原则 

在用xflow solver求解自由表面问题时，无论二维还是三维计算模拟，必须保证模拟模型的垂直方向和Y-axis完成平行一致，因为xflow求解器默认y-axis为最佳液面高度定义方式。 

3. Free surface external 

 流体水槽默认按照X轴流动，-x /+y默认为流体域入口，+X为出口，-Y为地面，-z/+z为对称循环。需要设定的值： 

入口的初始速度（velocity law at the inlet） 

水流初始表面(water initial surface) 

入口水表面函数（water inlet wave function）表示出口处自由表面的位置，其可以为常数或者为时间的函数。 

 

设置最直接的方式就是水槽及表面边界条件导向功能来设置上面的所有值，包括虚拟模

拟水槽的大小设置。

图3-1 自由表面水波设置向导

如图3-1向导图所示，需要设置的参数有水槽的长度、高度、宽度、水槽内水深度、水流动速度、水波幅度、水波频率。 

 设置完后在环境设置相应相就自动生成函数表达式，当然每个参数也可以根据需要自定义相关特殊函数表达式。

对于五阶斯托克斯模型请参考相关手册和专业书籍。

4.  Free surface internal  

 

内部自由表面流动，需要用户去定义各个外部表面边界条件和初始液位高度。 

5. 液位高度定义规则 

 

对于外部自由表面流动的水波初始表面和内部自由表面流动的初始液位函数，都可以通过函数表达式（逻辑运算）来表达。  在模拟初时刻，通过< 或者 >表达式来定义空间被流动填充的大小，运算表达式都是针对全局坐标系，而不是针对模拟的对象或实体。

图5-1 液位逻辑运算及效果 

 图5-1表示模拟计算初始刻，在1*1*1的正方形空间域内，液体从底部充满一半空间，及相应的流体液位大小表达式及实际效果。表达式是按照逻辑运算真假来判断液位的，如果空间位置结果为真表示有液体，如果空间位置逻辑运算为假就表示没有液体。

6. 其他

图6-1 自由表面的高级选项 

高级选项中的free surface volume correction保证体积收敛。Free surface external damping outlet region为了减少出口流体动能，出口采用多孔介质，同时保证出口压力一致（自由表面波动而改变） 

同时在模拟过程可以打开自由表面张力模型和两相流模型，在求解器中将考虑其微观影响因素求解其相关参数，这在微流体领域具有十分明显的影响。 

对于Force evaluation scheme有两个选项，分别为momentum exchange和surface stress integration，这是默认必选的，对于具体的认识有待研究。 

自由表面运算中需要添加惯性重力项的，这个要注意特别是大尺度的流动分析，微尺度的模拟可以忽略。