基于level set的Eulerian-Lagrangian耦合方法及其应用

提出了一种基于水平集的Eulerian-Lagrangian耦合方法,其中Lagrangian方法采用相容显式有限元拉氏方法,Eulerian方法采用基于近似Riemann解的有限体积Eulerian方法,多介质界面处理采用新的水平集和Ghost方法计算.给出了若干数值算例,包括激波管问题以及金属和气体的运动界面及其大变形问题,并分别与精确解和相容显式有限元拉氏方法的计算结果进行了对比.数值结果表明,该方法计算结果正确,精度较高,能够准确捕捉物质界面,适用于处理大变形问题.

自由汇流旋涡多相耦合输运演变机理

含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程,其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题,多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度.针对上述问题,提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法.基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法,结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型,建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型;利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流,保证流场质量守恒和无散度的速度场;结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪.基于旋流场多特征物理变量,得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律,揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理.研究结果表明:多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态,旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形;旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强,且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象.研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.

隧道降水施工地表沉降的渗流-应力耦合分析

根据有效应力分析方法,建立了弹塑性渗流–应力耦合分析理论模型;采用流体体积方法方法来跟踪非稳定渗流场的动态自由水面,开发相应的数值模拟分析程序;并对某地铁隧道工程的动态降水过程和开挖过程进行仿真模拟,对降水和开挖过程中的地表沉降进行重点分析,得出动态变化的地表沉降曲线,通过将地表沉降计算值与现场量测值比较分析,两者数据吻合较好。研究结果表明,降水的影响半径约为30m,降水所引起的地表最大沉降值约为23mm,左右隧道施工完时地表最大沉降值约为43mm,施工期间周围建筑物和地下管线均无安全隐患。而通常采用30mm的控制标准,说明城市地铁工程的沉降控制基准要视具体的工程环境条件而定,这为该工程和类似工程施工提供了依据和参考作用。

基于虚拟流体方法数值模拟作用在水—弹性固体界面的强激波（英文）

文章对强激波与水—弹性固体界面的相互作用进行了数值模拟。基于欧拉方程和弹性动力学方程推导了一个用于处理流固界面的近似黎曼关系。耦合流体区域的欧拉网格和固体区域的拉格郎日网格,用水平集方法追踪流固界面的位置。并分别用五阶WENO和双特征线格式离散流体控制方程和固体控制方程及捕捉强激波在流体和固体中的传播。流固界面附近的网格节点用虚拟流体方法求解。文中还将数值结果和强激波作用在水—固壁界面,水—可压缩固体界面得到的结果进行了对比分析及验证。数值模拟结果也表明了推导的近似黎曼关系和虚拟流体方法可很好地适用于水—弹性固体耦合问题。

基于Fluent的三维注塑充填界面追踪方法研究

充填阶段是注塑成型中最复杂也是最重要的阶段。考虑到Moldflow软件在注塑成型模拟中的局限性,越来越多的学者使用Fluent等通用计算流体动力学(CFD)软件进行注塑成型模拟。然而,大多数基于通用CFD软件的注塑充填模拟中都忽略了气体相。基于Fluent软件实现了三维注塑充填模拟,并将没有考虑空气相,以及考虑空气相时使用两种不同界面追踪方法的模拟结果分别与Moldflow进行了对比。结果表明,在基于Fluent的注塑充填模拟中应该考虑空气,且使用流体体积函数(VOF)和水平集(Level Set)的耦合方法 (CLSVOF)比单纯的VOF方法界面追踪效果更好。

玻璃微珠液滴碰撞分离过程数值研究

采用耦合水平集和流体体积(CLSVOF)法对等直径的玻璃微珠液滴对心碰撞过程进行数值模拟,重点研究了玻璃微珠液滴碰撞分离过程中的物理机制.在与正十四烷液滴碰撞实验对比验证的基础上,数值研究了分离过程中玻璃微珠液滴的形态变化和能量变化规律.研究表明,玻璃微珠液滴碰撞分离过程所需能量主要由液滴动能和表面能提供,且动能大部分转化为黏性耗散能.通过对液滴能量和平均总压变化分析,得出液滴碰撞分离的4种状态,即径向拉伸到极限、径向收缩和轴向拉伸达到平衡、轴向拉伸到极限和液滴液桥夹断分离.分析了4种状态的速度和压力分布,得出末端夹断机制是液滴碰撞分离的主要原因.研究结果可为丰富玻璃微珠液滴碰撞理论提供基础.

开敞式进水池喇叭口悬空高度对吸气涡的影响

开敞式进水池是中小型泵站中重要的水工建筑,其在结构尺寸设计不合理时易出现空气吸入涡(air-en-trained vortex,简称吸气涡),严重时会发生空蚀,从而严重影响泵站安全稳定运行。在开敞式进水池中,喇叭口悬空高度C对进水池流动影响较大。本文根据泵站设计规范中给定的悬空高取值范围,采用简化的耦合水平集与流体体积方法(simple coupled level-set and volume-of-fluid method,S-CLSVOF)捕捉水气交界面,并基于分叉模型(bifurcation model,BM)进行数值模拟,分析了吸气涡随喇叭口悬空高度的变化规律,并从喇叭口处涡量及涡拟能的角度,分析了产生该规律的机理。结果表明:吸气涡的大小和进水管内相对吸气率β呈正相关,且平均相对吸气率在3×10^(-4)~7×10^(-4)之间;平均相对吸气率基本随悬空高度的增加呈下降趋势,但在C=0.35D(D为喇叭口直径)处出现突降的情况;每个方案涡量随时间的变化规律表明涡量可定量体现吸气涡的强度;通过对涡拟能输运方程中的分析,发现漩涡受到的拉伸作用决定了平均相对吸气率的变化规律,且与吸气率的变化规律一致,揭示了吸气率突降的机理。同时,分析研究结果发现,在设计进水池时,考虑到吸气涡程度与泵的安装,C=0.35D的悬空高度为最优选择。本文结论对进水池的设计具有指导意义。

多相流动的直接数值模拟进展

多相流动的直接数值模拟的讨论就是把流场中颗粒周围计算网格缩小到颗粒尺寸以下进行流动的计算,颗粒的受力不是通过模型计算,而是通过积分表面的黏性力与压力获得.直接模拟方法的出现标志着人们对多相流动的认识从宏观扩展到微观层次.主要介绍了几种先进的直接模拟的方法:基于体适应的非结构化移动网格方法;基于固定网格方法;其它方法.

矩形舱内三层液体晃荡特性的数值分析

采用耦合水平集和流体体积(CLSVOF)界面捕获方法对浮式生产储卸油(FPSO)装置矩形清洗舱内三层液体的晃荡特性进行数值分析;通过对比数值模拟与试验所得矩形舱内三层液体的液-液界面形状和高度的变化情况,验证了CLSVOF方法模拟多层液体晃荡特性的准确性.结果表明,多层液体晃荡过程中出现的物理现象远比传统单层液体晃荡中的复杂.当矩形舱外部激励频率等于液-液界面的最低阶固有频率时,所产生的共振效应不仅会导致液-液界面的晃荡幅度远大于自由表面的晃荡幅度,而且会导致液-液界面产生Kelvin-Helmholtz不稳定性.

液滴冲击移动液膜的数值研究

为了研究液滴冲击移动液膜问题,建立了三维不可压缩层流计算模型,基于耦合的水平集-流体体积法对两相界面进行追踪,探讨了液膜速度和厚度、液滴直径和速度对冲击移动液膜过程的影响。研究表明:液膜静止时,冲击结果是对称的,而液膜移动时,冲击结果变为非对称;液膜速度对冠上游生长具有增强效应,而对冠下游具有抑制作用,增加液膜速度冠的上游高度增加、下游高度减小,内径增加;液膜厚度增加,液膜与壁面的粘性损失减小,吸收冲击动能的能力增强,当无量纲液膜厚度小于1时,冠的上、下游高度均随着液膜厚度的增加而增加,否则相反;当无量纲液膜厚度小于0.5时,冠内径随着液膜厚度的增加而增加,否则反之;随液滴直径和速度的增大,冠的高度和内径均增加。

复杂型腔充模过程中分子构型演化的数值模拟

基于充模过程的两相黏弹性流体模型,采用有限体积、浸入边界和复合水平集流体体积方法,数值模拟了聚合熔体在复杂型腔中的充模过程.首先,借助一类特殊函数(R-functions)将基于基本几何体的水平集函数组合成描述复杂型腔的形状水平集函数.然后,采用浸入边界法处理复杂型腔问题,有限体积方法求解熔体控制方程,利用复合水平集流体体积方法对熔体前沿界面进行隐式追踪.基于有限伸展非线性弹性哑铃本构方程模型,计算熔体分子构型张量,通过取向椭圆描述分子的取向及拉伸行为,实现了充模过程中分子构型的可视化.最后,对带有两个圆形嵌件的环状型腔内的充模过程进行数值模拟研究,得到了充模过程中型腔内的温度、应力及分子构型的变化情况,并重点分析了充模速度、熔体温度和模具温度等对分子构型的影响.数值结果表明:本文提出的耦合模型可以成功模拟复杂型腔内充模过程中的温度、应力和分子取向等物理量的动态变化;适当提高注射速度可以增大熔接痕的强度;提升熔体温度和模具温度,可以有效改善甚至消除熔接痕.

带嵌件型腔内熔接过程的数值模拟研究

基于充模过程的两相黏弹性流体模型,采用同位网格有限体积法,结合浸入边界法和界面追踪的复合水平集流体体积方法实现了带嵌件型腔内充模过程的动态模拟.基于上述模型和算法模拟了熔体前沿界面及熔接线的动态演化过程,而且通过线性应力-光学定律得到了熔接线附近的流动诱导应力分布情况;讨论了熔体温度及模具温度对熔接线区域凝固层厚度的影响.数值结果表明:本文提出的方法可用于模拟复杂型腔内的充模过程以及熔接线的自动追踪;由于聚合物黏弹性熔体流动的复杂性,当两股熔体相遇后,熔接线不同位置的应力分布变化较大;熔体或模具温度越高,熔接线区域凝固层厚度越薄,提高熔体或模具温度能够改善甚至消除充模过程中的熔接线.

层流气体雾化制粉工艺粉末形貌及雾化机理

层流气体雾化制备的金属粉末具有粒径较小且粒度分布窄的优点,目前对层流气体雾化的研究主要集中在工艺参数对雾化效果和粉末特性的影响,其雾化机理仍不完全清楚.本文通过数值模拟和实验分析,系统地研究了层流气体雾化过程中的雾化气体流场、一次雾化和二次雾化机理以及最终的粉末颗粒形态.采用标准k-e湍流模型,研究了基于De Laval喷嘴的层流雾化单相气体流场,流场呈“项链”状结构,并伴有斜激波的膨胀波团.采用耦合水平集-体积分数法研究了一次雾化和二次雾化机理,并通过雾化实验得到了凝固碎片和粉末,验证了该模型的有效性,数值模拟结果也为层流气雾化制粉技术的实际应用和具体工艺提供了重要参考.研究表明,液柱周围的熔体主要以细丝或韧带的形式剥离,这显示出了增压低维度雾化的特点.二次雾化过程中球形液滴主要基于Rayleigh-Taylor不稳定变形和Sheet-Thinning破碎模式分解破碎,丝状熔体则主要以曲张波表面发生扰动从而引起波谷处破裂的方式进行破碎.