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-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。

求解不可压缩两相流的复合Level Set-VOF方法

目前,不可压缩两相流问题的数值求解方法主要有VOF方法和Level Set方法等.根据CLSVOF方法基本思想,通过将VOF和Level Set两种方法结合,实现了复合Level Set-VOF方法追踪不可压缩两相流相界面的模拟计算;对比分析了VOF、Level Set和复合Level Set-VOF方法计算经典两相流问题的结果.研究结果表明,复合Level Set-VOF方法继承了VOF方法精确构造相界面和Level Set方法精确计算表面张力的优点,能够有效削弱两相流求解过程中出现的虚假流动问题,因此可以更加精确地求解不可压缩两相流问题.

追踪不可压缩两相流相界面的CLSVOF方法

根据CLSVOF方法的基本思想,将VOF和Level Set两种方法结合起来,用于追踪不可压缩两相流相界面的计算。通过对经典的两相流流动问题的计算,研究了CLSVOF方法对对流输运方程和动量输运方程计算精度的影响,并与VOF方法和Level Set方法进行了对比。研究结果表明:求解对流输运方程时,CLSVOF方法的计算精度明显高于Level Set方法;求解动量输运方程时,CLSVOF方法产生的虚假速度接近于0,基本克服了利用VOF方法求解动量输运方程时的虚假速度势问题。

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CLSVOF方法的界面追踪耦合

根据Level-Set方法和VOF方法的优缺点,近年来兴起了一类界面追踪的耦合方法——CLSVOF(Coupled Level-Set and Volume-of-Fluid Method)方法。本文阐述了该方法的耦合实现过程,通过旋转流场和剪切流场2个算例验证了CLSVOF方法相比Level-Set方法实现了计算过程中的物理量守恒,克服了VOF方法难以准确计算界面的法向和曲率的缺点。使用该方法对溃坝模型进行计算,并将数值模拟结果进行对比分析。结果表明:CLSVOF方法计算结果更加接近于实验结果,该方法相比其他界面追踪方法具有更高的运动界面追踪分辨率。由此说明CLSVOF方法模拟具有自由表面流动工程实际问题的精确性和可行性。

低装载液箱晃荡砰击载荷的CLSVOF数值模拟(英文)

应用CLSVOF数值方法模拟并计算液箱剧烈晃荡的砰击载荷。该方法由level-set方程获得网格内自由液面法向量,并由PLICVOF方法重构自由液面,然后在重构后的自由液面上进行level-set方程的重新初始化。应用该方法,模拟了横摇以及横荡共振激励作用下低装载液箱的晃荡砰击载荷,并与实验结果进行了对比,计算结果与实验结果较为一致。

基于CLSVOF方法的多介质流运动界面追踪(英文)

根据Level-Set方法和VOF方法各自的优缺点,耦合生成一种Level-Set和VOF的耦合界面追踪方法,简称CLSVOF(Coupled Level Set and Volume Of Fluid Method)方法。CLSVOF方法利用Level-Set函数计算VOF体积份额,克服了VOF方法难以准确计算界面的法向量和曲率的缺点;同时又利用VOF体积份额修正Level-Set函数,克服了Lev-el-Set方法在计算过程中有物理量的损失的缺点。用旋转流场和剪切流场的数值算例验证了CLSVOF方法相比VOF方法提高了运动界面追踪的分辨率,相比Level-Set方法实现了计算过程中的物理量守恒。运用CLSVOF方法数值模拟了两个多介质流运动界面算例,分别是自由剪切层问题和气泡在静止水体中上升问题.对比数值模拟结果与理论分析和实验结果可知CLSVOF方法能精确地追踪多介质流运动界面。

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。

VOF方法理论与应用综述

分析两相流中采用VOF方法模拟交界面运动变化的基本原理,概述近年来为提高VOF方法计算精度和自由面重构效果所做出的各种改进和在各个领域所取得的研究成果及应用前景.指出VOF方法如在基础理论上进行改进,则在多维流场的数值模拟上将会有更广阔的应用空间.

基于VOF模型与动网格技术的两相流耦合模拟

以两相流模型为研究对象,采用计算流体动力学软件FLUENT的VOF(volume of fluid)模型与动网格技术的耦合方法,模拟分析了气体和液体两相的流动过程。得出了模型中气、液两相的体积份数与压力分布,为设计制造提供了有意义的参考数据。

三维VOF模型及其在溢洪道水流计算中的应用

详细介绍了VOF模型及其应用方法,结合k-ε紊流模型和分段线形方式构造界面的方法,数值求解了带自由水面的三维水流流动问题。以大型水工建筑物溢洪道内水流流动为例,计算了溢洪道内水流流动特性,并将计算结果与实验数据进行对比,结果表明计算值与实测值相吻合,说明VOF模型能够精确地跟踪自由表面,适用于溢洪道等大型水工建筑物内的水流流动的数值模拟。

基于VOF法的平底结构自由落体入水砰击载荷模拟

应用动网格技术和VOF方法模拟了平底结构的自由落体入水过程和气-液两相流,得到了平底物体自由落体入水过程的运动特性、砰击载荷特性以及入水空泡演化过程。结果表明:整个入水过程中,平底物体在入水瞬间受到来自液面的砰击载荷最大,砰击面的载荷压力分布中间高两端低;砰击载荷随入水初速的增加而增大;平底物体入水空泡破裂后对上表面造成冲击压力。数值计算方法和结果对入水结构安全性和适应性评估具有实际意义。

水流冲击管道内滞留气团现象的VOF模型仿真分析

针对复杂管道系统内水流冲击滞留气团现象,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)进行了数值模拟计算,并与一维模型进行了比较计算分析,结果表明:系统的最大压力并不总是气团的最大压力,有可能还会叠加水体对管壁的撞击而形成的突然升高压力。与实验实测结果的比较分析表明:采用VOF模型,能够较精细地仿真水流冲击滞留气团现象的气团形态、流场结构以及压力分布等的变化过程,其压力数值计算结果与实验实测基本吻合,其计算误差明显小于现有一维模型的计算误差,是深入研究该复杂瞬变流现象的有效方法。

VOF模型在有支流汇入的河道复杂流场中的应用

采用VOF模型对大渡河与楠桠河交汇处的护堤工程区及其影响范围进行了三维数值模拟计算分析.结果表明:楠桠河与大渡河交汇口处的流态主要受大渡河流态的影响.护堤工程扩建后,断面平均流速在局部的增大,会增加对河岸的冲刷,因此在护堤建设过程中,应加强固岸措施.工程现场的原位试验观察与模拟计算结果吻合较好,加之工程多年来的安全运行,均说明VOF模型是一种处理复杂自由表面的有效方法,可在天然河道,特别是在有支流汇入的复杂河道流场研究中推广应用.

基于VOF方法的带相变的自由界面的计算

对于气液自由界面上存在相变(蒸发、沸腾或凝结)的情况,由于此时不仅物性分布是不连续的,速度场也发生了不连续,这无论对于捕捉或追踪自由界面的算法本身还是流场的求解都带来了一定的困难.本文提出一种基于VOF方法的计算带相变的自由界面的算法,对这种情况下的关键问题-速度场的不连续性给出了解决方法.并用编制的二维程序计算了水平壁面上的膜态沸腾,并将计算结果与理论公式进行了比较.

基于VOF模型与动网格技术的油气悬架气液两相流数值模拟

针对某型大吨位矿用自卸车油气悬架为油气两相相互接触的特点,拟从多相流数值仿真的角度对其非线性刚度阻尼特性进行分析。首先,在探讨了现有多相流建模方法适用性、湍流模型适用性的基础上,结合VOF模型和动网格技术,在Fluent软件中建立悬架的气液两相流模型,并采用UDF方法对两相流模型的边界运动形式进行预定义。其次,模拟了悬架拉伸和压缩状态下的内部瞬态流场特性,得到不同时刻相应流道中的速度和压力云图,提取出气室内压力的变化以及悬架内因阀系结构而产生的压力差的变化,进而计算得到其刚度和阻尼特性曲线。再次,将所求力学特性曲线通过Spline函数导入ADAMS/View中,建立了某型矿用自卸车的多体动力学模型,开展了随机道路平顺性仿真分析,并借助实车道路振动测试验证了仿真结果的准确性。最后,通过两相流仿真分析了阻尼孔倒圆大小、开孔角度、不同单向阀开度对悬架阻尼特性的影响。

VOF方法模拟波浪槽中二维非线性波

造波板运动生成非线性波问题是研究物体与波浪非线性相互作用的典型例子。本文研究了用ＶＯＦ方法模拟波浪水槽生成非线性波（孤立波和椭圆余弦波）的问题。为实现造波板在计算中可以做穿越网格的大幅值运动，本文采用了在压力迭代中调整造波板邻近单元中压力来满足造波板上流体运动条件。对开路边界条件和自由表面与物面交点处边界条件也提出了处理方法。计算结果与实验结果和解析结果进行了对比。