自由表面旋涡数值模拟与涡、汇模型理论分析

为研究吸气旋涡的产生机理,并进行相应的理论分析,将水利和水工设备进水口前常见的自由表面旋涡现象简化为盆池自由放水模型,采用"流体体积"(VOF)方法结合RNG k-ε湍流模型模拟自由表面旋涡现象.通过数值模拟获得自由液面从纯水涡到吸气旋涡的生成与演化过程,将计算结果与理论Burgers涡模型进行对比,发现Burgers涡模型的切向速度分布方程与计算结果相符,涡量向中心聚集是导致自由液面发生凹陷并最终产生吸气旋涡现象的原因之一,同时发现Burgers涡的径向速度和轴向速度分布方程与计算结果相比存在很大差异.进一步简化模型后,剔除切向速度影响,模拟了无旋流体的排水过程.通过理论推导在球坐标系下提出"汇球面"模型,获得了较好的速度分布方程,并发现"汇"效应也是产生吸气旋涡现象的重要因素之一.

吸水口上自由表面旋涡的LES-LBM模拟

为了实现高雷诺数下自由表面旋涡生成与演化过程的数值模拟,将标准Smagorinsky亚格子应力模型引入到三维单相自由面格子Boltzmann方法中,建立结合大涡模拟的格子Boltzmann方法(LES-LBM).当进口雷诺数分别为5×104和105时,考虑重力和科氏力的作用,采用LES-LBM对长方形水槽底部吸水口上方的自由表面旋涡的生成与演化过程进行数值计算,再现了自由表面旋涡发展过程中的典型流态,并根据其特点将自由表面旋涡的发展过程分为4个典型阶段.对比分析有、无科氏力作用下的高雷诺数流动算例,验证科氏力的作用.对自由表面旋涡发展过程中的B型(染色旋涡和挟物旋涡)和D型(连续吸气旋涡)自由表面旋涡的径向速度、切向速度以及轴向速度沿吸水口半径方向的分布规律进行重点分析.数值计算结果表明:采用结合大涡模拟的单相自由面格子Boltzmann方法,可以有效模拟高雷诺数下的自由表面旋涡生成与演化过程;验证了科氏力在诱导并促进自由表面旋涡发展过程中的作用;计算获得的自由表面旋涡内部流场的各速度分量沿径向的分布规律与试验结果定性一致,且几乎不随进口雷诺数的不同而改变.

150t钢包自由表面旋涡的数值模拟与湍流模型的选择

钢包在非稳态浇注过程中易形成旋涡,导致钢渣及空气的大量卷入,严重危害了钢的质量.为了更好的研究旋涡,采用ANSYS CFX软件,分别采用k-ε和RNG k-ε2种湍流模型对钢包非稳态浇注过程中自由表面旋涡进行数值模拟,得到自由表面从表面旋转到旋涡贯通水口的演化过程,将两者的计算结果与相关文献以及Burgers涡模型进行相互对比,得到:两者计算的旋涡演化过程、旋涡产生临界高度无差别;两者的速度场与相关文献均一致,但RNG k-ε模型更真实的表现了旋涡的剪切流动;将两者的切向速度分布与Burgers涡对比,得到RNG k-ε湍流模型与理论模型更加吻合.综上:用RNG k-ε湍流模型计算自由表面旋涡更加正确合理.

自由表面旋涡的识别方法

针对目前自由表面旋涡识别所存在的精确性低、计算量大、实用性差的问题,提出一种新的自由表面旋涡识别方法.该方法建立基于图像识别的自由表面旋涡识别系统,实现图像获取、采集、处理及旋涡识别的功能.为了解决系统中旋涡识别的难点问题,提出一种二维图像中旋涡的识别及定位方法.该方法利用旋涡图像的局部对称性,通过分析图像中旋涡周围流线的方向场,使用改进后的缠绕角度法计算相应的缠绕角度值,最终实现自由表面旋涡的识别及涡核中心的定位.实验表明,该方法识别速度快且具有较高的准确,稳定及有效性.

吸水口前自由表面旋涡的LBM模拟

作者采用单相自由面格子Boltzmann模型,数值模拟了水槽底部吸水装置在科氏力诱导下自由表面旋涡的生成和演化过程。计算结果表明本文采用的方法能够较好地捕捉自由表面旋涡流动的大幅度变化的气液两相界面,同时通过对自由表面旋涡生成与演化过程中不同水平面的速度矢量分布,切向速度、径向速度、环量以及涡核半径的变化规律的分析,说明计算结果与实验结果是一致的。

Numerical Visualization of Air Intake Induced by Free Surface Vortex

Free surface vortex control is vital in a pump sump system because the air absorbed by free surface vortex induc- es noise, vibration, and cavitation corrosion on the pumping system. In this study, the change of free surface vor- tex and air absorption in a pump intake has been investigated by the Volume of Fraction （VOF） method with steady multiphase flow model in order to represent the behavior of the free surface vortex exactly. The homoge- neous free surface model is used to apply interactions of air and water. The results show that air intake by the free surface vortex motion can be visualized using the iso-surface of air volume fraction. The vortices make an air column from the free surface to the pump intake. Also, it was found that the flee surface vortex can be controlled by installing curtain walls.