Crashing ocean waves, cappuccino froths and microfluidic bubble crystals are examples of foamy flows. Foamy flows are critical in numerous natural and industrial processes and remain notoriously difficult to compute as they involve coupled, multiscale physical processes. Computations need to resolve the interactions of the bubbles with the fluid and complex boundaries, while capturing the drainage and rupture of the microscopic liquid films at their interface. We present a novel multilayer simulation framework (Multi-VOF) that advances the state of the art in simulation capabilities of foamy flows. The framework introduces a novel scheme for the distinct handling of multiple neighboring bubbles and a new regularization method that produces sharp interfaces and removes spurious fragments. Multi-VOF is verified and validated with experimental results and complemented with open source, efficient scalable software. We demonstrate capturing of bubble crystalline structures in realistic microfluidics devices and foamy flows involving tens of thousands of bubbles in a waterfall. The present multilayer framework extends the classical volume-of-fluid methodology and allows for unprecedented large scale, predictive simulations of flows with multiple interfaces.


翻译:泡沫流在许多自然和工业过程中至关重要,并且仍然难以计算,因为泡沫流涉及多种规模的物理过程。计算需要解决泡沫与流体和复杂边界的相互作用,同时捕捉微粒液体胶片在其界面的排水和破裂。我们提出了一个新的多层模拟框架(Multi-VOF),它提高了泡沫流的模拟能力。这个框架引入了一种新颖的处理多种相邻泡沫的方法,以及一种新的正规化方法,产生锐利的界面并清除虚假的碎片。多VOF经过实验结果的核实和验证,并辅之以开放源,有效的可缩放软件。我们展示了现实的微氟化物装置和泡沫流中包含数万个泡沫的泡沫流。目前的多层框架扩展了典型的浮化量方法,并允许规模空前的大规模、预测性地模拟多层界面的流动。

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