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。

用VOF方法数值模拟溢流堰流场

采用流体体积函数处理水气交界面,并与标准的k-ε二方程紊流模型耦合模拟了溢流堰上的流场.计 算的溢流堰上压力分布和流速,均与物理模型试验的测量结果较为吻合.

一种自由界面追踪的模板化VOF方法

发展了一种模板化的volume-of-fluid(VOF)方法.该方法根据自由界面的法向建立一个模板,然后由已知的网格单元上的流体体积比值确定出自由界面的准确位置,使得在二维情形下一个网格单元被自由界面切割的形式只有3种.另一方面,引入了单元边流体占有长度的概念,在此基础上建立了一个统一的流体占有面积模型,可以使得自由界面输运方程的求解有统一的算法.该方法不受网格单元形式的限制,并且容易推广到三维情形.算例表明,该方法能保证自由界面的跟踪精度.

无结构三角形网格下运动界面追踪的WENO有限体积法

在处理运动界面追踪问题的流体体积函数(VOF)法的基础上,给出了一种无结构三角形网格下的高分辨率的运动界面捕捉方法.该方法采用高精度的加权本质无振荡(WENO)有限体积格式离散VOF函数的空间导数,采用三阶TVD Runge-kutta方法离散时间导数,采用Lax-Friedrichs通量作为数值流通量.数值试验结果表明,用该方法来进行旋转速度场和剪切速度场的运动界面追踪,可以得到与理论解非常一致的追踪结果.

计算流体力学中的间断Galerkin方法述评

间断Galerkin（DG）方法结合了有限元法（具有弱形式、有限维解和试验函数空间）和有限体积法（具有数值通量、非线性限制器）的优点，特别适合对流占优问题（如激波等线性和非线性波1的模拟研究．本文述评DG方法，强调其在计算流体力学（CFD）中的应用．文中讨论了DG方法的必要构成要素和性能特点，并介绍了该方法的一些最近研究进展，相关工作促进了DG方法在CFD领域的应用．

运动界面的追踪和重构方法

提出了一种简单有效并且精确的高分辨率运动界面追踪方法———无结构网格特征型积分平均有限体积法· 并且对包括该方法在内的六种界面重构方法做了一些数值试验和评估· 通过精确的数值模拟。

微通道内Taylor流的计算流体力学数值模拟研究进展

简要阐述了计算流体力学(CFD)中流体体积函数法(VOF)的概念和原理。重点综述了采用CFD方法研究微通道中两相Taylor流的最新进展,包括两相流速度场、气泡或微液滴的生成、发展等流动特性、壁面处液膜厚度的影响因素、微通道内的传质传热特性等。最后展望了微通道内多相流CFD数值模拟的研究重点和应用方向。

基于流体动力学理论的景观瀑布数值模拟

作为旅游和局部生态环境重要组成部分的景观瀑布,其泄流状态的逼真模拟对于景观设计有重要的意义。基于计算流体动力学(CFD)理论,采用流体体积函数(VOF)法追踪自由表面,以RNGk-ε紊流模型封闭方程组,建立了景观瀑布的水力学数值模型。通过与经验公式的结果进行对比,验证了该水力学数值模型的准确性。将该方法应用于昆明"两江"瀑布景观公园,经分析,北段三跌坎和南段直跌坎在最小流量工况下的景观效果较好,可避免枯水期劣质景观的出现。

基于Youngs法的液舱大幅晃荡数值模拟

液舱大幅晃荡一直是船舶水动力学研究的热点问题。文章采用Youngs法重构自由表面,给出了自由表面单元的速度边界条件,并且对液体晃荡中出现的流体翻卷、破碎后出现的流体波面的锋—锋相遇的情况进行了分析和讨论。数值模拟结果表明,Youngs法结合适当的自由表面条件,能够较好地模拟液舱内大幅晃荡中出现的翻卷和破碎的现象。

基于三维实体模型的注塑成型保压过程模拟

基于现有的超算平台和有限体积法计算程序,开发基于三维实体模型的注塑成型数值模拟计算模型。基于可压缩两相流模型进行计算,采用有限体积法进行离散,结合流体体积法(VOF)进行界面捕获,使用Cross-WLF黏性模型表征聚合物熔体的流变行为。以平板型腔和带圆柱嵌件型腔熔体保压过程为例进行数值模拟计算,成功预测型腔压力、温度和应力等流动特性的分布,模拟结果与文献中的结果基本吻合。

用于电动微流体计算模拟的自由界面重构技术比较

电动微流体是微全分析系统中样品输运的主要形式,数值模拟是计算和分析电动微流体样品输运特性的重要手段。由于微通道中区带样品在流体内存在大浓度梯度的界面,在计算时很容易引起数值耗散,对计算精度影响严重。本文探讨了电动微流体样品输运计算中数值耗散的产生原因和消除措施,利用有限体积法求解电场分布和流场分布,在此基础上应用自由界面重构技术对数值流向量进行了处理并求解微通道中样品传输,有效消除了界面处数值耗散的影响,并给出微通道中电泳分离和电致混合增强的计算模拟结果,研究结果表明:采用FCT-VOF和基于积分平均型TVD格式的VOF方法对上述算例的样品界面进行重构,能够保持界面平滑的同时,有效抑制了数值耗散,获得较好的计算精度。

基于改进流体体积函数的流场压力脉动大涡模拟

对结构物壁面上的水流随机压力脉动进行数值模拟一直是工程领域中的难点,本文采用大涡模型,利用改进的流体体积函数法,建立三维流体动力学模型,对带自由表面的水跃现象进行非定常数值模拟。并将脉动压力数值模拟结果与原型测量结果进行全面对比分析,对比内容包括幅值特性,脉动壁压的时空相关特征、功率谱等,通过对比发现两者基本吻合,表明大涡模型能成功地模拟出水跃现象中的水流脉动压力。在此基础上,充分发挥数值模型所提供信息量大的优点,得出侧壁上水流脉动压力沿水深的分布规律。

柴油机气缸盖传热规律研究

利用Star CCM+软件,采用多面体网格技术和基于流体体积函数方法(VOF)的两相流沸腾模型,对单缸柴油机气缸盖的冷却传热进行了流-固耦合仿真计算,通过气缸盖的测试温度对仿真结果进行了校验.在此基础上,对气缸盖的传热规律进行了研究.研究表明,单缸柴油机负荷增加时,气缸盖冷却水壁面排气门鼻梁区的传热系数HTC呈现出在较小负荷增加迅速,在较大负荷增加变缓的规律;气缸盖向冷却水传递的热流量则随单缸柴油机负荷的提高呈现出加速上升的趋势,转速为2 000r.min-1时,单缸柴油机功率由44kW增加到61kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为31.4%;功率由61kW增加到80kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为61.3%.

基于罚函数SPH新方法的水模拟充型过程的数值分析

同传统的网格法相比,光滑粒子流体动力学(SPH)方法非常适合于求解大变形和自由表面流动问题。阐述了SPH理论及其应用,并用罚函数处理流体与壁面的相互作用,以解决传统SPH本质边界条件不易施加的问题。对水模拟的充型过程实验进行数值分析,并和文献实验结果以及传统SPH进行对比,最终表明仿真结果与实验非常吻合,比传统SPH方法捕捉到了更多的流动细节和特征;同时由于使用了XSPH算法,使得粒子更加整齐有序。

竖壁降膜流动特性与稳定性的数值研究

采用流体体积法(VOF)对于高雷诺数竖壁降膜流场进行了数值模拟,分析了液膜速度分布、平均液膜厚度、基液膜厚度、波动振幅与波长等特性参数的变化规律,讨论了波动特性对于降膜传质及稳定性的影响。计算结果表明,随着流动向下游发展,平均液膜厚度先是迅速减小,然后减小速度趋缓;波动振幅和波长随着流动距离的增加持续增大,这将导致波动传质能力增强,同时也使得基液膜厚度不断减小,液膜的稳定性变差。采用VOF方法的模拟结果与高速摄影实验数据符合良好,说明VOF方法准确描述了绝大部分液膜流动特性,在总体上对于竖壁降膜流场进行了准确的预测。

高雷诺数竖壁降膜流动特性的数值研究

采用流体体积法(VOF)对于高雷诺数竖壁降膜流场进行了数值模拟,分析了降水膜速度分布、温度分布、波速及平均水膜厚度等特性参数的变化规律。计算结果表明,随着流动向下游发展,平均水膜厚度先是迅速减小,然后减小速度趋缓,最后趋于一恒定值;当初始水膜厚度一定时,随着初始雷诺数的增大,平均水膜厚度逐渐增大,水膜波动的振幅逐渐减小,但水膜稳定性变差。采用VOF方法的模拟结果与高速摄影实验数据符合良好,说明VOF方法准确描述了绝大部分液膜流动特性,在总体上对于高雷诺数竖壁降膜流场进行了准确的预测。

三维波浪作用下大直径圆柱绕流的数值模拟

为探讨三维波浪与结构物的相互作用,以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积(VOF)法为基础,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型;对三维波浪作用下大直径圆柱绕流进行了数值模拟,用两步边界定位法和虚拟边界力法确定波浪与结构物接触面.结果表明:大直径圆柱绕流系数的数值计算结果与理论解吻合,所建立的数学模型能够很好地模拟三维波浪与结构物的相互作用.

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr<1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。

水下喷气推进高速射流场数值研究

为建立航行体点火初期尾部流场结构的预测方法,并揭示水下燃气喷射非定常流场与推进航行体运动的相互关系,以简化的潜射火箭为研究模型,采用流体体积法(VOF)两相流模型结合动网格方法对系留状态和运动状态下的燃气喷射流场进行数值模拟,分析了两种状态下燃气喷射形成的复杂流场结构.结果显示,喷气推进航行体在水下发射时,喷口附近形成复杂的流动结构和演化过程,并伴有较大的压力脉动产生;航行体加速运动导致的边界变化对燃气喷射流场产生较大的影响.

微重力环境下水平方管内气液两相流动特性的数值研究

基于数值方法,采用流体体积函数模型(volume of fluid,VOF)对10-4g0和g0重力环境下水平方管内空气-水两相流和制冷剂R134a蒸汽-液体两相流进行数值模拟,分别得到泡状流、弹状流、搅混流和环状流4种典型流型,但两种混合物在流型上存在较大差异。通过对数值结果的统计分析,得到两种混合物在不同重力环境下的压降分布。结果显示,微重力下两种混合物的压降均大于常重力环境,且压降都随气、液速度的增大而增大;相同工况下,空气-水的压降大于R134a蒸汽-液体两相流的压降。将得到的压降数值结果与均相流模型、Friedel模型和Chisholm模型依次进行对比。重新根据分液相雷诺数(Reynolds)将流动分为层流区、过渡区和紊流区,并对Chisholm关系式进行了修正。结果显示,修正后的压降模型能较好地预测微重力环境下的气液两相流动压降。根据汽液两相流动特性,分析了发生以上现象的原因。