【摘 要】两相流的数值模拟是近年来的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）领域研究的热点和前沿课题之一，interFoam求解器是目前流行计算流体力学软件OpenFOAM中能够模拟两相流问题，计算水气相互作用的一个两相流求解器，继承了C++语言面向对象的技术特点，得到了广泛的应用。
【关键词】interFoam;OpenFOAM;两相流;计算流体力学
The Application of Two-phase Flow Solver interFoam in Numerical Simulation
ZHANG En-zhen
（Bridge Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）
【Abstract】The numerical simulation of two-phase flow become one of the focus in CFD lately，interFoam is a solver in CFD software，OpenFOAM.It can simulate the two-phase flow and deduce the interaction between fluid and air brilliantly. Inheriting the object-oriented feature from C++，it is becoming more and more popular.
【Key words】interFoam; OpenFOAM; Two-phase flow; Computational fluid dynamics
0 引言
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。与实验研究相比，CFD计算具有速度快、成本低、资料完备等优点。
目前流行的CFD计算软件有Fluent、OpenFOAM等，其中penFOAM是Open Field Operation And Manipulation的英文缩写，很形象的概括了这款软件（严格的说，应该是开源的C++代码包）的特点：开源、直接对场操作、运算和处理。由于代码是开源的，所有代码均用户可见、可改、可重用，该软件具有非常大灵活性，几乎可以实现所有的用户自定义边界条件（时间相关、空间相关均可）、所有的来流条件，用户可以任意修改的N-S方程表达式（包括添加源项，添加新的场量，如温度），支持几乎所有的网格形式（包括结构、非结构网格）。
两相流的数值模拟是近年来的CFD领域研究的热点和前沿课题之一，目前流行的CFD计算软件都有各自的两相流求解器，interFoam是OpenFOAM中最基础最完善的两相流求解器。
1 interFoam及其特点
OpenFOAM有许多两相流求解器，interFoam是其中之一，用来求解不掺混的两相流（掺混指的是一种流体分布在另一种流体当中，如气泡在液体中的运动）。InterFoam求解器中对于两相流自由界面的捕捉即是使用的流体体积法（VOF），而对于空间离散则是采用的有限体积法（FVM）。
2 数值计算方法
N-S方程是公认的适用于所有流体的普适性偏微分方程，时间控制的三维可压缩牛顿流体运动及热量传递控制方程为：
■
（1）
方程存在极少的解析解，而通常工程问题应用中都是以取得偏微分方程的数值解为目标。大多数情况下计算N-S方程的精确解所需的计算量是巨大的，对工程问题是不可行的。这时候就需要一些简化的假设及模型使实际计算问题变得经济上可行。在interFoam求解其中假设流体是非粘性的，采用的控制方程为欧拉方程。
OpenFOAM采用有限体积法对偏微分方程进行空间离散。计算区域被分解成各个控制体，即离散的体积元。偏微分方程的通量形式在不同体积元之间相互联系。因为通常情况下流出体积元的通量是等于流入其的通量，所以一般有限体积法是守恒的。所涉及的量值（速度、压力等）是计算在体积元的质心的。相邻质心之间的数值可以通过差值来确定。
interFoam求解器是使用流体体积法（VOF）来进行界面捕捉的。其使用一个称为相参数（phase fraction，同上节的体积分数F）的特性数来捕捉自由流体界面。在OpenFOAM 1.5dev版本中，这个相参数是用字母γ来表示的，更新的版本则是用α来表示。这个参数是通过流场中对流来运输的，参数输运方程如下：
■
（2）
在只含有气体的体积元中此参数值为0，在充满液体的体积元中此参数值为1。在含有气体和液体接触的自由界面的体积元中，此参数值介于0和1之间。 interFoam中所使用的VOF方法有人为分散水汽接触界面的趋向，保持接触面形状清晰的一个方法是在垂直于接触面出施加人工压力梯度。在OpenFOAM中，人工体积力梯度可以通过cGamma设置来进行控制。
3 interFoam的应用
表1对interFoam求解器最新的应用实例做了一个列举。
表1 最新应用interFoam的相关研究
Jonas Andersson（2011）曾利用OpenFOAM软件中的interFoam求解器对波浪及波浪引起的应力进行了数值模拟，并与实测数据进行了对比以验证此求解器的准确度。
blockMesh是OpenFOAM附带的工具之一，可以用来生成简单几何形状的网格。同OpenFOAM其他工具一样，blockMesh也是通过路径文件夹（dictionary）控制的，这使得参数化网格更加方便。输入若干关键参数便可以生成复杂网格，在原来参数上改动少许数据，则可以生成完全不同的复杂网格。这让blockMesh工具非常适合用于有几何相似性的一族网格的分析研究，比如参数最优化对网格的影响的研究。
ParaView是一个开源的数据分析及可视化后处理的工具。通过语句分析接口（Message Parsing Interface，MPI）ParaView可以并行运行，使得大量数据可以快速分析。同其他大部分后处理软件一样，ParaView可以交互地3D化地运行。
Δt≤max（10τμ，0.1τρ）
（3）
其中τμ=μΔx/σ，τρ=■;他们还对于雾化有关的一些毛细流动做了模拟，得到的结果与已有文献中的数据也较为符合。
【参考文献】
[2]Berberovi■ E， van Hinsberg N P， Jakirli■ S， et al. Drop impact onto a liquid layer of finite thickness： Dynamics of the cavity evolution[J]. Physical Review E， 2009，79
（3）：036306.
[4]Srinivasan V， Salazar A J， Saito K. Modeling the disintegration of modulated liquid jets using volume-of-fluid （VOF） methodology[J]. Applied Mathematical Modelling， 2011，35
（8）：3710-3730.
[8]Roisman I V， Weickgenannt C M， Lembach A N， et al. Drop impact close to a pore： experimental and numerical investigations[C]//ILASS―Europe， 23rd annual conference on liquid atomization and spray systems， Brno， Czech Republic. 2010.
[9]Ashish Saha A， Mitra S K. Effect of dynamic contact angle in a volume of fluid （VOF） model for a microfluidic capillary flow[J]. Journal of colloid and interface science， 2009，339
（2）：461-480.
