非定常自由面流动模拟的反扩散VOF算法研究

VOF(Volume of Fluid)方法由于其良好的守恒性和网格适应性,且具有计算资源需求相对较小等优点,成为船舶水动力学领域自由面流动CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟的主流方法。但原始的VOF方法存在较为严重的界面扩散问题,导致模拟的界面厚度过大、空间分辨率不够,进而影响流场相关变量的计算精度,这一问题在非定常自由面流动模拟中尤为明显。本文针对上述问题,通过在VOF控制方程中引入人工对流项以达到抑制界面扩散、压缩界面厚度的目的,并采用隐式离散人工对流项的方式提高计算稳定性,形成了反扩散VOF算法。经Zalesak和剪切场等经典算例在不同数量网格下的测试验证,表明反扩散VOF算法能够大幅压缩界面厚度,同时明显减小质量误差。随后的三维无障碍溃坝算例和破舱进水算例,进一步证明了反扩散VOF算法在实际非定常流动模拟中能够更好地捕捉自由面并提高计算精度。

基于VOF方法的规则波下破舱进水数值模拟

文中以某理想客滚船舱段模型为研究对象,基于VOF方法建立两相流体积模型,采用重叠网格和交界面网格技术,分析规则波下不同破口形状舱室模型破舱进水下的运动响应.结果表明:不同破口形状对破舱进水过程的影响主要表现为横摇时域的高频成分,且不同破口形状导致的流量不同.

基于VOF-DPM耦合的Y型喷嘴雾化研究

采用VOF-DPM(流体体积-离散相模型)耦合方法的数值模拟,研究液体黏度对Y型喷嘴内流动和喷嘴雾化性能的影响。首先对Y型喷嘴内部和外部区域进行多面体网格划分,并借助基于气液体积分数值的自适应网格加密技术有效提高气液界面识别精度。分析喷嘴内流动与喷嘴外雾化的关联,研究液体黏度对雾化性能的影响。结果表明:重油黏度较高,流速较小,喷嘴内重油不易被气体吹散和掺混,液体雾化较难。柴油密度低于重油,易被加速,导致喷雾贯穿距离大于重油,雾化更容易,柴油的喷雾锥角与重油差距不大。重油的喷雾索特平均直径d s为137.14,略高于柴油d s约0.8%。研究对评估燃烧器燃烧性能及其适应多种燃料的改造设计具有重要的应用价值。

基于VOF-DPM模型的明渠含沙数值模拟及量水方案比选

为探究含沙水流对明渠流量测量精度的影响,基于Fluent软件采用VOF-DPM模型对明渠进行数值模拟,分别模拟不同进口流速和含沙量组合条件下渠道内流量、液位及泥沙颗粒分布,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,计算出各量水设施的流量误差与液位误差。结果表明:采用VOF-DPM模型可以较好地模拟含沙水流在明渠的流态,通过开展不同流量级的流量测试可知,在不同含沙量条件下,巴歇尔槽流量计误差最小(-3%~1%),超声流量计(-4%~3%)和电磁流量计(-9%~2%)量测效果均较好,雷达流量计误差较大(-20%~4%),说明非接触式流量计在高含沙量、大流量的情况下需进一步提高测量精度;超声液位、电磁液位与雷达液位误差均较大,试验中尾部巴歇尔槽壅水以及泥沙在渠道底部淤积是造成较大液位误差的原因之一。

基于VOF模型的二维溃坝水流数值模拟研究

基于Volume of Fluid(VOF)模型对二维溃坝经典案例进行模拟,通过与实验值进行对比,验证VOF模型的计算精度。针对二维溃坝下游有障碍物的情况,研究不同时刻的流场变化情况,与实验结果比较分析,并对障碍物所受到的压力进行分析。通过更改障碍物的位置,研究不同障碍物位置对溃坝水流的影响,不同障碍物位置所受到的压力。结果表明:VOF可以很好地模拟溃坝水流。对于下游有障碍物的溃坝模型,障碍物的最低点所受到的压力最大,最高点所受到的压力最小。障碍物位置距离溃坝水流越远,受到的压力越大,液面变化越剧烈,溃坝水流撞击障碍物行成的水舌高度越高,飞溅的水体也相应增加,水舌撞击右壁面的高度越大。

基于VOF-DPM的横向射流雾化过程数值模拟

为高效精确模拟航空动力系统的液态燃料横向射流多尺度雾化过程,分别采用离散相模型(discrete phase model,DPM)、流体体积(volume of fluid,VOF)法耦合DPM(VOF-DPM)对横向射流雾化过程进行数值模拟,对比2种模型对横向射流雾化过程的仿真结果,并研究模型转换直径与破碎模型对横向射流雾化过程仿真结果的影响。仿真结果表明:相比DPM,VOF-DPM仿真得到的射流穿透深度更接近试验结果,射流雾化过程更真实,并且能够捕捉到更详细的流场信息;当模型转换直径较小时,不能转换为离散相颗粒的液滴相对较多,这些液滴仍由VOF求解,并阻挡气流导致在其周围产生小涡团;添加破碎模型对射流穿透深度和流场结构几乎没有影响,但导致离散相颗粒继续破碎成更多更小的颗粒。

基于VOF方法的超临界二氧化碳——水两相流动孔隙尺度数值模拟

二氧化碳(CO_(2))捕集与封存技术有利于减少CO_(2)的排放量,近年来针对CO_(2)地质封存形成了从纳米尺度到油气藏尺度的大量研究成果,大多数研究只针对单一维度多孔介质中流动行为开展研究,且物理实验方法受许多不确定性因素影响,十分耗费时间和成本。为了从微观角度深入理解CO_(2)地质封存过程中的渗流行为,提高CO_(2)地质埋存量,基于追踪两相界面动态变化的VOF(Volume of Fluid)方法,分别建立了2D和3D模型,开展了超临界CO_(2)-水两相流动数值模拟研究,对比了不同润湿性、毛细管数、黏度比条件下的CO_(2)团簇分布特征、CO_(2)饱和度变化规律,揭示了孔隙尺度CO_(2)埋存的内在机理。研究结果表明:①随着岩石对CO_(2)润湿性增加,CO_(2)波及范围扩大,同时CO_(2)团簇的卡断频率减少,CO_(2)埋存量增加;②随着毛细管数的增加,驱替模式由毛细指进转变为稳定驱替,CO_(2)埋存量增加;③随着注入超临界CO_(2)黏度逐渐接近水的黏度,两相流体之间的流动阻力降低,促进了“润滑效应”,CO_(2)相的渗流能力提高,CO_(2)埋存量增加;④润湿性、毛细管数、黏度比在不同维度多孔介质模型中对CO_(2)饱和度的影响程度不同。结论认为,基于VOF方法的CO_(2)-水两相渗流模拟研究在孔隙尺度上揭示了CO_(2)地质封存过程中的渗流机理,对CCUS技术的发展有指导意义,也为更大尺度的CO_(2)地质封存研究提供了理论指导和技术支撑。

基于VOF方法的可调参数对气泡聚并过程计算精度与成本的影响

气泡聚并通过改变气液两相间界面面积,影响相间的传热和传质,而聚并时间和液膜厚度是描述2个气泡聚并过程的重要物理参数。采用流体体积(VOF)方法对气泡聚并过程进行数值模拟时,合理设置计算流程中可调参数(例如网格尺寸、最大库朗数以及方程循环次数等),有助于提高求解过程的收敛性、节省计算时间。因此,本文基于OpenFOAM开源软件,采用VOF方法与自适应网格相结合的方法,以同轴两气泡聚并过程为例,探究最大库朗数Co_(max)、相方程循环次数nα和控制方程循环次数n_(pimple)这3个参数对气泡聚并过程数值模拟的计算量与计算精度的影响,同时,得到气泡间液膜厚度在可调参数不同取值时随时间的变化规律。研究结果表明:气泡间液膜的变薄速度与最大库朗数Co_(max)成反比,与相方程循环次数nα和控制方程循环次数n_(pimple)成正比,这主要是由于减小最大库朗数Co_(max)以及增大相方程循环次数nα和控制方程循环次数n_(pimple)提高了计算精度,改善了流体在网格单元上移动滞后的现象,加快了两气泡聚并以及液膜减薄过程;综合考虑计算精度与计算成本,得到了基于VOF方法的气泡聚并数值模拟较优的可调参数组合,即(Co_(max),nα,n_(pimple))=(0.05,3,8)。

基于VOF模型研究相邻叶片交错角对水车性能的影响

为了探究影响3叶片下击式水车性能的因素,利用流体体积(VOF)模型模拟明渠无压流动,基于SST k-ω湍流模型、PISO算法及滑移网格旋转模型对相邻叶片不同交错角度(0°、20°、40°、60°)的水车进行非定常模拟。计算结果表明:当相邻叶片交错角度为0°时,对应的水车高效区最为宽广且最优效率最高,叶轮前后区域压力基本呈对称分布;随着交错角度增加,前后压力分布差异逐渐变大。相同工况下,旋转一周水车转矩的平均值从小到大依次为60°、40°、20°、0°,但不稳定性也依次增大。此外,水车的效率随叶尖速比的增加呈现先增大后减小的趋势;转矩的波动幅度随叶尖速比的减小而降低。

重力热管基于VOF模型的传热特性研究

采用Fluent软件选用VOF模型,并加载自定义函数(UDF),实现重力热管内部的相变传热过程,对重力热管进行数值模拟分析.研究结果表明:Fluent可以将重力热管内部相变过程较好地呈现出来.当加热功率为60 W时,换热系数达到最大值;当加热功率继续增加到80 W时,换热系数逐渐下降.当充液率在0.20~0.24范围时,随着充液率的增加,等效对流换热系数也增加;当充液率在0.24~0.32时,等效对流换热系数逐渐降低;充液率为0.24时,等效对流换热系数最大.当倾角在30°~60°时,等效对流换热系数随倾角增大而增大;当倾角在60°~90°时,等效对流换热系数随倾角增大而减小;倾角为60°时等效对流换热系数最大.

基于VOF模型溢洪道掺气槽位置数值模拟

为解决高水头溢洪道空蚀破坏问题,设计了3种方案,分别在桩号0+130.73、0+161.78、0+186.39处加设掺气槽,其对应的弗劳德数Fr分别为6.65、7.91、8.53,并采用RNGκ-ε紊流模型和物理模型试验的方法,分析易发生空蚀破坏断面的掺气浓度及沿程水流空化数指标。结果表明,在桩号0+186.39处加设掺气槽,在易发生空蚀破坏截面临底掺气浓度大于15%,沿程水流空化数均大于0.3,效果优于其他2种方案,可有效解决溢洪道空蚀破坏问题。

基于Projection VOF方法的熔模铸造蜡模充型过程数值模拟

针对熔模铸造蜡模充型过程数值模拟软件自主开发,建立了流动场和温度场数学模型,采用Cross-WLF粘度模型描述蜡料的流变性能,基于Projection VOF方法进行蜡料流动过程速度场、压力场以及自由表面的求解。通过试验测量获取了K512型蜡料的热物理性能和流变性能的相关数据,拟合得到粘度模型参数。分别在蜡料常粘度和变粘度模型两种条件下对扳机铸件蜡模充型过程进行模拟,结果表明,所建立蜡模充型过程数学模型能较好地描述蜡料的动态流变特性和传热行为。

基于VOF-LPT模型的强旋来流条件横向射流破碎雾化特征研究

研究强旋来流条件横向液体射流的破碎雾化特征对先进航发燃烧室设计具有重要意义.该文采用Euler-Lagrange方法模拟了射流破碎雾化过程,基于VOF(volume of fluid)方法捕获了近场射流破碎过程中相界面的拓扑结构变化,通过Lagrange粒子追踪(LPT)方法模化喷雾液滴的动力学过程得到远场油雾分布特征.该研究构建了不同旋流强度横向来流,旋流数从0变化至2.5,射流与气流的动量比q为10,来流We数为39.在该工况下,射流破碎过程包含柱状破碎和表面破碎.结果表明,由Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定诱导的轴向波的发展是射流发生柱状破碎的主要原因,而射流分支/液膜从液柱表面剥离形成了射流的表面破碎,其主要由方位剪切不稳定波主导.强旋流加速了射流的柱状破碎过程,降低了破碎位置的径向高度,但旋流延迟了射流的表面破碎过程,破碎开始位置的径向高度随旋流数增大而升高.随着旋流数的增大,流向方向速度分量不断减小,射流沿径向方向的喷注轨迹显著升高;射流的偏转角度与流向位置呈线性关系,旋流数越大偏转斜率越大.此外,射流雾化场的Sauter直径(SMD)随旋流数的增加而减小,液雾场的空间分布区域也随旋流数的增加而增大.

基于VOF模型的真空吸鱼泵数值模拟

针对目前真空吸鱼泵设计计算依赖于工程经验,存在随机性和不确定性的问题,本研究开展了真空吸鱼泵吸/排水过程的数值模拟分析。分别建立了真空吸鱼泵吸水阶段和排水阶段物理模型,采用VOF模型,以抽气速度为边界条件,对吸/排水过程进行数值模拟。结果表明,VOF模型能够很好地预测真空吸鱼泵吸/排水过程中计算区域液相体积分数随时间变化的历程;抽气速度相同时,随着吸程的增大,真空罐内的稳定工作压力逐渐降低,但吸水管道内的流速不变;吸程相同时,随着抽气速度的增大,真空罐内的稳定工作压力逐渐降低,吸水管道内的流速逐渐增大;通过模拟得到了吸水和排水时间,可对吸捕速率进行预测。本研究可为真空吸鱼泵计算机辅助设计提供理论参考。

Particulate flow modelling in a spiral separator by using the Eulerian multi-fluid VOF approach

The Euler-Euler model is less effective in capturing the free surface of flow film in the spiral separator,and thus a Eulerian multi-fluid volume of fluid(VOF)model was first proposed to describe the particulate flow in spiral separators.In order to improve the applicability of the model in the high solid concentration system,the Bagnold effect was incorporated into the modelling framework.The capability of the proposed model in terms of predicting the flow film shape in a LD9 spiral separator was evaluated via comparison with measured flow film thicknesses reported in literature.Results showed that sharp air–water and air-pulp interfaces can be obtained using the proposed model,and the shapes of the predicted flow films before and after particle addition were reasonably consistent with the observations reported in literature.Furthermore,the experimental and numerical simulation of the separation of quartz and hematite were performed in a laboratory-scale spiral separator.When the Bagnold lift force model was considered,predictions of the grade of iron and solid concentration by mass for different trough lengths were more consistent with experimental data.In the initial development stage,the quartz particles at the bottom of the flow layer were more possible to be lifted due to the Bagnold force.Thus,a better predicted vertical stratification between quartz and hematite particles was obtained,which provided favorable conditions for subsequent radial segregation.

VOF方法中相变模型综述

数值模拟是探究沸腾换热机理的重要方法。本文对使用VOF方法模拟气泡生长的数值方法进行了调研,着重总结了模拟过程中所使用的相变模型,并对相变模型进行了简要的评析,使用其中两个模型模拟了一维Stefan蒸发和冷凝问题,验证了模型准确度。

基于VOF方法的半潜平台润滑油箱摇荡仿真分析

为探究半潜平台运动对燃气轮机机组润滑油运行状态的影响,建立润滑油箱物理模型,利用VOF方法进行润滑油摇摆垂荡复合运动仿真模拟,揭示了半潜平台燃气轮机机组润滑油摇荡运动规律。研究结果表明,对于半潜平台上典型润滑油箱充液系统,摇荡运动周期远离共振周期,润滑油箱在摇荡运动工况下液面上下起伏波动较小。润滑油泵吸油口距离液面最小距离发生在箱体摇摆到最大角度前后,最小距离较共振时有明显增加,保证润滑油泵工作在安全液位高度。

PEMFC船形堵块阴极流场的性能

建立流体体积(VOF)两相流模型,研究船形堵块流道的排水性能。建立不同开孔率的船形堵块流道三维模型,研究船形堵块及开孔率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响。船形堵块流道峰值净功率密度相较于传统直流道可提升9.4%,相较于同堵塞率下的梯形堵块流道可提高2.9%,具有较好的强化传质作用。通过提高船形堵块流道的开孔率,PEMFC可以获得更好的性能。在相同开孔率下,船形堵块流道的氧气摩尔浓度较直流道和梯形堵块流道分别提高28.6%和14.0%。结果表明,相较于传统直流道,船形堵块流道可降低排水周期和流道内平均水含量,具有更好的排水性能。

基于VOF-DEM方法的纤维悬浮液沉积特性研究

基于VOF-DEM方法,建立了纤维悬浮液气—液—固三相流动耦合模型,并采用小规模玻璃纤维浆液流动实验对模型进行了实验验证。在此基础上,采用该模型模拟研究了纤维毡材的成形过程,分析了沉降后纤维分布特性。研究结果表明:VOF-DEM方法能够较为准确地追踪纤维悬浮液的三相流动过程;初始空间分布均匀的纤维,由于脱水出口位于设备中部,经沉降后纤维厚度分布从中心向边缘呈逐渐下降的变化趋势,两者的最大差异达1倍以上。

多级压缩机气阀寿命评估与极限含水量预测

针对目前油田天然气回注具有介质含水多、压力高且变化范围宽等特点,多级往复式压缩机容易产生水击破坏,如何预测极限含水量以有效防止水击是亟需解决的关键问题。采用计算流体力学方法,数值模拟并分析了多级压缩机注入湿气条件下各级气阀阀片的动力学特性,得到了不同天然气含水量的气阀阀片载荷分布。进一步结合nCode计算疲劳,预测了多级压缩机气阀服役寿命与极限含水量。JGC-4型压缩机模拟计算结果表明:随着进气含水量增大,压缩机排气压力提高,气缸内不断析出水滴,致使水击产生,且对高压级影响更为显著,压缩机整机进气含水体积分数上限为0.43%。研究结果可为多级往复式压缩机的应用提供技术支撑。