Considerações especiais do modelo de volume de fluido (VOF)
Modelo VOF versus Modelo de mistura
Na abordagem de modelagem multifase euleriana homogênea, ambos os modelos eulerianos VOF e de mistura resolvem o mesmo conjunto de equações de controle (média) de mistura. No entanto, eles têm base em diferentes mecanismos físicos e aplicam-se a diferentes regimes de fluxo multifase:
• Modelo de mistura — Projetado para duas ou mais fases (fluido ou partículas), que são tratadas como contínuos de interpenetração. Ele resolve para a equação de momento de mistura e equações de energia e a interface de fase para fase não é rastreada ou nenhuma interface limpa é observada. Os aplicativos do modelo de mistura incluem fluxos carregados de partícula com baixo carregamento, fluxos de bolha e de partículas, sedimentação e separadores de ciclone. Também é possível usar o modelo de mistura com velocidades relativas indicadas para as fases distribuídas para fluxos de multifase não homogêneos do modelo.
• Modelo VOF — Geralmente uma técnica de rastreamento de superfície transiente projetada para dois ou mais fluidos imiscíveis nos quais a posição da interface de fase para fase é de interesse. No modelo VOF, um único conjunto de equações de momento e energia de mistura é compartilhado por todas as fases e resolvido implicitamente. As frações de volume de fase são obtidas usando algoritmos de tempo preciso explícitas ou implícitas com esquemas de advecção de ordem superior para resolver interfaces agudas entre um par de fases. Os aplicativos típicos do modelo VOF incluem fluxos estratificados, fluxos de superfície livre, preenchimento, slosh, o movimento de bolhas grandes em um líquido, o movimento do líquido após a quebra de uma barragem, a predição de quebra de jato (tensão de superfície) e o rastreamento de qualquer interface de líquido e gás.
A formulação VOF depende do fato que dois ou mais fluidos (ou fases) não são interpenetrativos. Em qualquer determinada célula de volume de controle, portanto, as frações de volume de fase locais podem apenas determinar se ela contém somente uma das fases ou uma mistura de fases. Por exemplo, para a fase qth, se a fração volume em uma célula for αq então somente as três condições seguintes serão possíveis:
◦ αq = 0: a célula está vazia da fase qth
◦ αq = 1: a célula é completa da fase qth
◦ 0<αq < 1: a célula contém a interface entre a fase qth e uma ou mais outras fases.
Portanto, é possível realizar o rastreamento das interfaces entre as fases da solução de uma equação de transporte para a fração do volume de uma ou mais das fases.
O efeito de tensão de superfície
A tensão de superfície é a tendência elástica de uma superfície de fluido que a faz obter a menor área de superfície possível. Considere uma bolha de ar em um líquido. Dentro da bolha, a força de rede em uma molécula devido a seus vizinhos é zero. Em interfaces de líquido e ar, a tensão da superfície resulta da maior atração de moléculas de líquido de umas às outras devido a coesão do que às moléculas no ar devido a adesão. O efeito de rede é uma força radialmente para dentro em sua superfície, que faz com que a bolha se contraia. A pressão dentro da bolha aumenta para contrabalançar a força de atração intermolecular.
• O modelo de superfície de força contínua
No Creo Flow Analysis, o modelo VOF pode incluir efeitos de tensão de superfície ao longo de interface entre cada par de fases. O modelo de tensão de superfície adotado é baseado no modelo de Força de superfície contínua (CFS) de Brackbill e outros. Essa abordagem considera o efeito de tensão de superfície como uma força volumétrica adicional concentrada na interface em vez de uma força de superfície. Para a interface de superfície livre exibida na figura 2.26, o fluido primário é fase q (fase líquida) e o fluido secundário é fase p (geralmente, uma fase gasosa). De acordo com o modelo de força de superfície contínuo, a curvatura da superfície é calculada dos locais gradientes na superfície normal na interface. Deixe 
ser o vetor normal de superfície, definido como o gradiente da fração de volume de fluido primária, αq:
ser o vetor normal de superfície, definido como o gradiente da fração de volume de fluido primária, αq:
A curvatura k da interface é definida em termos de divergência do vetor normal da unidade:
equação 2.93
onde 
é a magnitude do vetor .
é a magnitude do vetor .A força de tensão de superfície na superfície é expressa como uma força volumétrica usando o teorema de divergência, que é um termo de origem adicionado à equação de momento de mistura.
equação 2.94
em que σqp é o coeficiente de tensão de superfície entre fluido q e fluido p. A unidade usada é N/m. A equação 2.94 permite uma superposição suave de forças próximas às células em que mais de duas fases estão presentes. Se somente duas fases estiverem presentes em uma célula, você terá as relações a seguir:
equação 2.95
onde ρ é a densidade de mistura. Então, a equação 2.94 é reduzida a
equação 2.96
• Incluindo a força de tensão de superfície
A importância dos efeitos da tensão de superfície é determinada por dois parâmetros não dimensionais: o número de Reynolds Re e o número de capilaridade Ca, ou o número de Reynolds e número de Weber We:
Se Re<<1, o parâmetro de interesse é o número de capilaridade:
equação 2.97
onde U∞ é a velocidade de fluxo livre. Os efeitos da tensão de superfície são negligenciados se Ca>>1, pois a força de tensão de superfície é pequena demais.
Se Re>>1, o parâmetro de interesse é o número de Weber:
equação 2.98
onde L é o comprimento da característica. Os efeitos da tensão de superfície também podem ser negligenciados se We>>1, quando a força inercial for muito maior que a força de tensão de superfície.
Adesão de parede (ângulo de contato)
O modelo de volume de fluido (VOF) tem uma opção para especificar um ângulo de adesão à parede juntamente com o modelo de tensão de superfície. De acordo com Brackbill et al., em vez da aplicação desta condição de limite diretamente na parede, o ângulo de contato entre o fluido e a parede na interface é usado para ajustar o normal da superfície nas células próximas a parede. Esta condição de limite dinâmica assim chamada resulta no ajuste da curvatura da superfície próxima a parede.
Se θ é o ângulo de contato da interface de superfície livre na parede, como exibido na figura 2.26, o vetor de unidade normal na célula próxima à parede é calculado como:
equação 2.99
onde,
 | vetor de unidade normal à parede |
 | vetor de unidade tangencial à parede |
Em seguida, a velocidade normal de unidade calculada 
é usada para determinar a curvatura local da superfície, equação 2.93, e subsequentemente a força de tensão de superfície, equação 2.94 ou equação 2.95.
é usada para determinar a curvatura local da superfície, equação 2.93, e subsequentemente a força de tensão de superfície, equação 2.94 ou equação 2.95.