基于VOF法的近自由面水下爆炸气泡运动数值模拟

对于近水面水下爆炸气泡的运动特性,在结合SOLA算法差分格式,利用投影算法对气泡的控制方程进行数值求解的基础上,基于VOF法进行了数值模拟,并利用MSC.DYTRAN软件进行仿真分析,通过对两者的分析结果对比研究.结果表明,基于结合SOLA算法差分格式的投影算法,利用VOF法可对水下爆炸气泡各时刻的运动界面进行较精确的捕捉和重构,从而实现精确追踪水下爆炸气泡脉动全物理过程的运动界面.同时,也研究了距离参数对气泡坍塌、射流及环状气泡的影响,掌握了距离参数对近水面水下爆炸气泡运动特性的影响.

基于VOF法的长距离无压引水隧洞充水过程模拟

结合长距离无压引水隧洞充水过程,建立了水气两相流耦合VOF(Volume of Fluid)法的k-ε紊流模型,近壁面采用考虑糙率影响的壁面函数,结合实际工程对长距离无压引水隧洞水气两相流进行了模拟。模拟结果表明:隧洞内水位随充水时间的增加逐渐上升并趋于稳定;对隧洞充水过程中沿程典型断面的水气两相流进行了动态分析,结果表明进口流量为65 m3/s时水流能顺利通过隧洞;对某水库放水兼放空洞水深实测数据进行了验证对比,模拟结果与实验结果基本吻合。

VOF法在斜拉索风雨激振数值模拟中的应用

将气液两相流理论与体积分数法(VOF法)相结合,提出一种模拟发生风雨激振现象时斜拉索表面水线形成和运动的新方法;应用这一方法采用计算流体软件CFX进行数值模拟得到拉索表面水线运动规律和拉索气动力;将气动升力施加到拉索上得到拉索的振动响应;通过与风洞试验结果及混合子结构方法的计算结果进行比对,验证了这一方法的准确性与合理性;通过分析水线运动、拉索气动力变化与拉索振动间的内在联系,揭示风雨激振现象的产生机理:上水线的环向周期性振荡导致拉索升力的周期性变化,引起拉索发生大幅度振动,上水线与拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。

用VOF法数值模拟孤立波迎撞及在后台阶上的演化

通过数值离散求解二维ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ方程和利用ＶＯＦ界面跟踪技术，分别对两个界面孤立波之间的迎撞问题和一个孤立波在后台阶地形上的演化问题进行数值模拟。

运行VOF法模拟LNG液舱的晃荡特性

液舱晃荡引起的载荷己成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一、以及船舶结构动力学的一个热点。文中首先运用VOF法建立LNG晃荡液舱模型,给出对LNG液舱晃荡特性数值模拟方法,运用模拟结果讨论不同工况(如装载率、频率、横摇角度幅值)下晃荡动压特性,在此基础上给出了LNG液舱的晃荡载荷特性与抑制晃荡的措施。

基于VOF法的絮凝搅拌器流场数值模拟

应用流体体积函数(volume fluid,VOF)法和RNGk-ε湍流模型,对絮凝搅拌器在不同搅拌速度时的流场进行了三维数值模拟。结果表明:VOF法可以较好地模拟气液界面,速度矢量模拟结果可以解释液面下凹现象;不同搅拌速度时的液相体积平均速度梯度模拟结果与搅拌机给定的平均速度梯度值非常接近;搅拌器内液相的局部速度梯度差异显著(可达2～3个数量级,桨叶附近的局部速度梯度最大),然而不同截面的平均速度梯度差异并不显著(1个数量级之内)。

基于VOF法毫秒激光制孔过程数值研究及工艺优化

针对毫秒激光制孔过程的热流耦合及孔的形成规律,基于VOF法构建了三维激光打孔数值模型。模型中考虑了材料去除过程中涉及到的重力、反冲击力以及固-液-气三相的相变过程,得到了不同脉冲个数下的温度场、相场以及孔形轮廓的变化。孔深与孔径的模拟结果与实验吻合较好。结果表明:相场中的气-固-液界面随着脉冲个数的增加逐渐下移;反冲压力的存在增加了上孔径和孔深;飞溅物随着脉冲个数的增加而增加;孔口往下约0.5 mm处呈碗型。

基于VOF法的半球-圆柱体液舱晃荡数值模拟

利用三维建模软件建立了纵荡激励下半球-圆柱体液舱内粘性液体晃荡的数值模型,利用计算流体动力学软件对不同工况下的液体晃荡进行了数值模拟,得到了液体对各监测点的作用力和液舱模型的一阶固有振动周期,分析了不同装载率、不同激励幅值、不同激励频率对液舱内液体晃荡的影响。

基于VOF法的风暴潮洪水演进三维数值模拟

为了提高风暴潮灾害应急处置能力,确保防潮安全,文章建立了耦合流体体积函数(VOF)法的三维非稳态水气两相流k-ε模型,采用等效糙率的方法处理城市密集建筑群,既考虑了其阻水作用,又考虑了其蓄水作用。针对天津市滨海新区海河与永定新河之间区域的风暴潮洪水演进数值模拟与分析,对100年一遇风暴潮洪水淹没情况进行分析,并对不同频率的风暴潮洪水的严重性进行了比较。结果表明,随着风暴潮发生频率的增加,风暴潮淹没范围逐渐减小,水深随着频率的增加是逐渐减少的,该研究为海堤安全管理、风暴潮灾害的快速科学评估提供了理论依据和技术支持。

基于VOF法的自由跌水水力特性研究

自由跌水的上下游水位差导致下游的水流特性与上游存在较大差异,下游回流区的切应力分布和压力分布与河床局部冲刷、河床稳定密切相关,但是较少涉及两者因素的综合影响。然而,切应力的测量难度较大。近年来,数值计算被广泛采用和认可。因此,基于体积分数法(VOF法)和三维水动力学模型,数值研究了佛汝德数Fr=1.74来流的明渠自由跌水。通过分析切应力和压力分布后可知,最大压力分布区和切应力分布区并未在同一区域,分别位于水流冲击区和冲击区下游,可为相关研究提供借鉴。

基于VOF法的CSG坝非稳定渗流场数值分析

当前国内外对胶凝砂砾石大坝(CSG Dam)渗流场的研究均局限于稳定渗流场,但由于库水位的不断波动,大坝在运行期大都处于非稳定渗流状态,保证这种新型坝在库水位变化时的安全稳定非常重要。采用有限体积法及计算流体力学中的VOF(volume of fluid, VOF)法,对CSG坝两个极端工况下的非稳定渗流场进行模拟,获得孔隙水压力、浸润面、流速及流量的演变过程,结果表明:1)CSG坝体防渗效果良好,即使在面板防渗性能降低的情况下,浸润线也处于较低的高程;2)在水位上升阶段,坝踵附近在水位上升初期渗流量会出现不稳定波动,下游节点渗流量变化起步较晚,且需要经历一个较长的时间才能达到渗流稳定;3)水位下降时,坝体浸润面呈现中间高、两边低,上游高、下游低的趋势。一部分坝内渗水会向上游排出,产生的渗透压力不利于面板的稳定,建议在坝趾处采取排水措施,引导坝内渗水排出,减少对上游面板的不利影响。

基于VOF法的碾压混凝土坝自由渗流场数值模拟

碾压混凝土坝渗流属于有浸润面的自由渗流,如何准确地确定浸润面位置是自由渗流场分析的关键及难点。同时,目前大坝渗流研究中多对地质条件、坝体细节以及排水孔进行较大程度的简化处理。针对上述问题,本文建立了包含不同地层、不良地质体、帷幕、排水孔以及坝体的碾压混凝土坝三维统一模型,采用耦合VOF法的三维非稳态水气两相流渗流模型,实现了对碾压混凝土坝复杂自由渗流场的数值模拟。运用该模型模拟某水电站碾压混凝土坝段正常蓄水位下的渗流场,结果表明:防渗帷幕和排水孔能够有效地改善渗流场分布,渗流控制作用明显;上游帷幕处的水力梯度最大值达到32.64,可能会对帷幕造成破坏,应引起足够重视。最后将现场监测点水头和排水孔出水量的模拟值与现场实测值进行对比,平均误差分别为1.57%和8.70%,模拟值与现场实测值基本吻合,验证了该模型的可靠性。

基于VOF法长陡坡排水隧洞三维数值模拟

针对工程实践中某长陡坡排水隧洞的3种设计方案,即长直陡坡式、台阶陡坡式、环形堰竖井式,其流场特性、消能效果等依据经验公式法计算困难,建立了RNGk-ε双方程紊流数学模型,应用VOF法处理水气两相流自由液面,以结构化网格和非结构化网格相结合的形式进行网格剖分,采用标准壁面函数法求解水流近壁区流速,展开了多工况三维数值模拟研究.得到并分析了不同计算工况排水隧洞水流基本形态、泄流能力、消能效果、压力分布等,最终比选出台阶陡坡式方案为该排水隧洞的最佳设计方案,后期应针对性地对其合理性进行物理模型试验验证.利用CFD数值模拟法解决工程实际问题的同时,也为水利水电工程中大流量冲沟排水问题的研究提供了参考和依据.

应用VOF方法对水流中拦油栅拦油失效进行数值模拟尝试

通过自编程序用流体体积分数（ＶＯＦ） 法模拟计算了两种拦油失效的情形：低粘度的油类在水流速度超过某一临界值时发生了油滴夹带失效；粘度很大的油类在水流速度超过临界值时发生了临界累积失效．模拟结果在定性上与已有的实验结果相一致．但计算出的临界水流速度还存在偏差。

N-S方程的数值解法及其在水波动力学中应用的综述

对于描述流体运动的基本方程 N-S 方程,现已开发出了多种不同的数值求解方法。其中以 MAC法和 VOF 法为代表的网格数值方法较为成熟,并被逐渐用于实际工程的水动力研究中;以 SPH 和 MPS为代表的粒子方法则刚刚起步,具有很大的发展空间。针对 N-S 方程中的能量耗散问题,采用雷诺时均化的方程形式仍是目前解决水动力问题的主要途径,但需要引入相应湍流模型,以封闭方程。本文首先对 N-S 方程求解方法的发展过程进行简要回顾,对一些重要的计算方法进行评述,简要介绍其在水波动力学中的应用;然后对时均化的 N-S 方程的主要封闭模式进行总结介绍;最后对数值求解 N-S 方程的发展趋势进行展望。

雾化过程的一种Euler-Lagrangian耦合算法（英文）

对雾化过程的直接数值模拟需要巨大的计算资源和时间,而工程中的简化模型则经常会给出错误的结果。因此,可以折中地采用一种混合方法,即在不同尺度上采用不同的模型。提出了一种雾化过程的欧拉——拉格朗日耦合算法。较大的液团采用VOF法直接求解,与网格尺度相当或更小的液滴则采用双向耦合的拉格朗日粒子法进行追踪。而该方法要求粒子的体积小于网格体积的10%,为此又提出了一种虚网格粒子追踪法。由于湍流结构对雾化过程的影响很大,故湍流采用了大涡模拟模型。采用多个算例对开发的算法进行了验证,并对部分关键参数的影响进行了深入研究。采用新算法对两股撞击射流的雾化过程进行了研究,瞬态和统计结果均表明新算法能够给出良好的预测。

5阶WENO有限差分法在界面追踪中的应用

为实现高精度和高分辨率追踪流体运动界面,采用流体体积函数(VOF)法,将VOF函数的二维运输方程转化为一维守恒律方程后,空间导数采用5阶WENO有限差分法离散,时间导数采用3阶Runge-Kutta法离散,数值流通量采用Local Lax-Friedrich通量计算,运动界面采用Youngs界面重构技术重构,从而给出一种5阶高精度和高分辨率的流体运动界面追踪方法.将该方法分别应用于平移、旋转场和剪切流场中经典模型的运动界面追踪,结果表明本文方法可实现流体运动界面高精度和高分辨率的追踪.

适用于具有复杂海底边界的自由表面流动模拟方法

提出了一种适用于具有复杂海底边界的自由表面流动模拟算法?基于非结构化四边形网格的VOF法。利用非结构化四边形网格在拟合曲线边界上的优势,此法能够在不引入任何边界处理和人工耗散的条件下,直接求解具有任意复杂海底边界的自由表面流动问题。该算法采用MLER法来对流界面,提高了VOF算法的体积守恒精度。大应变界面对流数值实验结果表明,该算法体积守恒性较好,且具有二阶的形状误差收敛率。

耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟

溃坝是一种伴随有巨大破坏力的灾害性的水流现象。三维溃坝的数值模拟能够为溃坝水流的研究分析提供科学的依据。针对瞬间全溃模型水流的复杂性,考虑水库下游障碍物的滞水及阻水作用,利用开源程序OpenFOAM建立了耦合VOF对流方程的三维非线性(NL)k-ε紊流数学模型求解雷诺时均纳维斯托克斯方程。采用有限体积法进行离散,利用PISO算法进行数值求解。通过模拟下游为三角形障碍物、矩形障碍物以及90°弯道的溃坝实验,并将模拟结果与实验结果进行对比分析,初步证明了该模型的准确性和鲁棒性。

流体自由界面追踪方法对比研究

流体自由界面追踪方法研究是近年来计算流体力学的热门课题,已有多种方法提出.文中对有代表性的VOF方法和Level Set界面追踪方法进行了比较.根据各种算法对旋转和剪切2种虚拟流场中界面演化的追踪结果,探讨了各种方法的准确性.计算结果表明,与VOF方法相比较,Level Set方法,特别是粒子level set方法能够更好地捕捉运动界面.