单液滴撞击平面液膜飞溅过程的CLSVOF模拟

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对单液滴撞击平面液膜初期的飞溅过程进行了数值模拟,探讨了撞击速度和液膜厚度对撞击后形成冠状水花形态及扩展直径的影响。结果显示,扩展直径随撞击速度的增大而增大,随液膜厚度的增大而减小,CLSVOF方法可较好地用于液滴撞击过程的数值计算。

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。

Numerical Simulation of Breaking Wave Generated Sediment Suspension and Transport Process Based on CLSVOF Algorithm

The sediment suspension and transport process under complex breaking wave situation is investigated using large eddy simulation (abbreviated as LES hereafter) method. The coupled level set (LS) and volume of fluid (VOF) method is used to accurately capture the evolution of air-water interface. The wall effect at the bottom is modeled based on the wave friction term while the complicate bottom boundary condition for sediment is tackled using Chou and Fringer's sediment erosion and deposition flux method. A simulation is carried out to study the sediment suspension and transport process under periodic plunging breaking waves. The comparison between the results by CLSVOF method and those obtained by the LS method is given. It shows that the latter performs as well as the CLSVOF method in the pre-breaking weak-surface deformation situation. However, a serious mass conservation problem in the later stages of wave breaking makes it inappropriate for this study by use of the LS method and thus the CLSVOF method is suggested. The flow field and the distribution of suspended sediment concentration are then analyzed in detail. At the early stage of breaking, the sediment is mainly concentrated near the bottom area. During the wave breaking process, when the entrapped large-scale air bubble travels downward to approach the bottom, strong shear is induced and the sediment is highly entrained.

An improved mathematical model to simulate mold filling process in high pressure die casting using CLSVOF method and CSF model

A 3D mathematical model was proposed to simulate the mold filling process in high-pressure die casting(HPDC) to improve accuracy considering the surface tension. Piecewise liner interface calculation(PLIC) and volume of fluid(VOF) methods were used to construct the pattern of the liquid interface. A coupled levelset and VOF method(CLSVOF) was proposed to capture the interface pattern and obtain its normal vector. A continuum surface force(CSF) model was used to consider the surface tension. Two water analogy experiments were carried out using the proposed model. Simulation and experimental results were analyzed and compared; and the effects of surface tension were also discussed. The simulation results agreed well with the experiments and the simulation accuracy was an improvement on interface geometries, liquid flows, and gas entrapments.

Numerical Simulation of Tsunami-Like Wave Impacting on Breakwater by CLSVOF/IB Method

In the current study,the treatment of air/water interface has been made on dam-break induced tsunami-like wave by the Coupled Level Set and Volume of Fluid(CLSVOF)three-dimensional modelling.The overall CLSVOF method adopts a Tangent of Hy-perbola for INterface Capturing(THINC)scheme with the Weighted Linear Interface Calculation(WLIC)and Level Set(LS)function for capturing interface and calculating normal vector,respectively.As far as THINC/WLIC scheme is concerned,since the convection problem of the VOF function can be solved well,the numerical diffusion can be avoided.The spatial terms in the LS equation were discretized by the Optimized Compact Reconstruction Weighted Essentially Non-Oscillatory(OCRWENO)scheme with fourth-order accuracy,which can avoid false oscillation of LS solution.By combining CLSVOF method with Immersed Boundary(IB)method,the simulation of dam-break induced tsunami-like wave impacting on a stationary breakwater can be carried out.Grid sensitivity,mass error and free-surface profile are first calculated for the tsunami-like wave problem to validate the proposed numerical algorithm,which shows excellent agreement between the numerical results and experimental data.Tsunami-like waves with varied tailgater levels are then investigated.Calculations of velocity magnitude,free-surface profile and wave elevation of the tsunami-like wave are conducted to investigate its dynamics and kinematics.

Numerical Simulation on Partially Liquid-Filled Sloshing with Baffle Under Different Density Ratios by the CLSVOF/IB Method

The density and viscosity ratios on partially liquid-filled sloshing with baffle have been investigated numerically in this study.As the key to success in the present simulation,the Coupled Level Set and the Volume of Fluid(CLSVOF)method and the Immersed Boundary(IB)method are used to capture gas/liquid and fluid/structure interfaces,respectively.Within the CLSVOF method,surface normal in weighting factors is calculated by the level set function,resulting in a more accurate solution.Furthermore,the Tangent of Hyperbola for INterface Capturing(THINC)coupled with the Weighted Linear Interface Calculation(WLIC)scheme is used for capturing moving interface.As a standard practice,we first validate the code by comparing it with experimental results of liquid sloshing,which involves large deformation of interface.In addition to the validation study of the present method,the problems of liquid sloshing with baffle are investigated to understand kinematics and dynamics behaviors under different density and viscosity ratios.

基于CLSVOF-IB方法海洋管道流固耦合特性研究

本文利用CLSVOF-IB方法研究海洋管道所受的流体作用力及其涡激振动特性,其中CLSVOF(Coupled Level-Set and VOF)方法用来模拟海洋自由波面,浸入边界(immersed boundary,IB)方法用于模拟海洋管道与流体之间的相互作用力。计算结果表明,CLSVOF-IB方法能够准确分析海洋立管的流固耦合特性,可通过选择合适的管道直径和来流速度来解决管道的流致振动问题。此外通过改变流体傅汝德数(Fr数),结果还表明该数值方法能较好捕捉海洋管道与海洋自由波面的相互作用过程。

抑尘液滴对煤表面动态润湿特征模拟评估方法

在煤体表面喷洒抑尘液是涉煤工业企业常用抑尘手段,而抑尘液滴撞击煤表面的润湿过程对抑尘效果具有重要意义。为研究抑尘液滴在煤表面动态润湿过程以及进一步评估液滴润湿性能,提出了液滴撞击煤表面过程中动态润湿指标,基于CLSVOF数值模拟法研究了液滴在煤表面动态润湿过程;利用无量纲润湿长度和无量纲润湿面积评价该过程中体现的润湿性能,并得出最大无量纲润湿长度与最大无量纲润湿面积相关理论表达,同时与表面张力的润湿性评估能力进行了比较。结果表明:CLSVOF方法能够较好地模拟液滴在煤表面的撞击以及动态润湿过程,可用来评估液滴对煤的动态润湿能力。液滴滴落在煤表面上,首先展铺为圆盘状,达到最大展铺时,圆盘边缘与中心存在速度差。当速度差较小时,液滴回缩汇聚成为一个液滴;当速度差较大时,液滴出现断裂行为,形成许多微小液滴。液滴粒径越大,断裂行为越早出现、现象越明显。一旦液滴在煤表面发生破裂,无量纲润湿长度与无量纲润湿面积并不是保持着一致性变化趋势,无量纲润湿面积评估能力更佳。液滴粒径相同时,撞击煤表面的韦伯数越大,润湿能力越好;相同速度下增加粒径对液滴润湿能力影响较小。与表面张力相比,无量纲润湿长度和无量纲润湿面积具有更好的液滴润湿性评估能力,体现出在润湿剂评价、优选中的潜在应用价值。

冶金渣气系统中Marangoni-热毛细对流的数值模拟

高品质钢材制造与钢铁在高温熔池冶炼过程中渣/金/气界面流动传热等物理机制息息相关。考虑熔池向外界散热和渣气相界面变形,耦合熔渣表面张力随温度变化,建立高温矩形浅熔池内渣气流动传热模型,运用CLSVOF方法考察冶金渣气系统的界面Marangoni效应。研究结果表明:熔池内热毛细对流远强于Marangoni对流,热毛细对流显著影响冶金渣气系统的温度场分布和流场结构,贡献率约占96%。随着水平壁面温差增加,Marangoni-热毛细对流增强,相界面变形加剧,熔渣温度均匀性提高约0.018%/K,但是相界面附近壁面耐火材料腐蚀情况更加严重。

双支点对转轴承腔两相流动及换热特性的数值研究

为探究双支点对转轴承腔两相流动及换热特性,利用耦合的CLSVOF两相流方法开展数值研究,对比高低压轴同转、对转形式下的轴承腔流动及换热特征,重点探讨对转条件下,高低压轴转速及双侧供油流量对轴承腔壁面油气分布特征与换热特性的影响。结果表明:不同转向下轴承腔壁面油膜形成过程类似,滑油在壁面以油滴、油矢、油带形式分布;同转形式下壁面流线旋向相同,对转形式下壁面流线旋向则相反,对转提高了轴承腔壁面剪切力及湍流强度,平均换热系数相对提升了16.47%;对转转速越大或转速比越高时,壁面滑油体积分数增大而油膜厚度降低,油膜流速平均增加72.95%,双侧供油量或供油流量比越大时,壁面滑油体积分数与油膜厚度均上升,油膜流速平均增加31.02%;增加转速与供油流量均可提高壁面热流密度,增大换热系数,采用双支点对转形式布局能够一定程度提高轴承腔换热性能,有利于保障发动机的安全可靠运转。

瞬态激振影响下微油滴撞壁行为的数值模拟研究

在油气微量润滑系统工作过程中,有效润滑是保障零件稳定运行的关键。但工作零件的振动会影响油滴的铺展,扰动润滑油膜的形成,从而影响零件的润滑效果。基于CLSVOF方法,建立油滴撞击振动壁面的模型,考察油滴撞击瞬时激振壁面过程中的油液形态演化规律。研究发现:油滴撞击激振壁面后产生飞溅和颈部射流现象;在不同振动频率下,油滴冲击产生二次飞溅的时间均整个周期的1/5附近;壁面振动减小了油滴的最大铺展因子,延长了油滴的铺展时间;在回缩阶段,油滴铺展因子呈现出典型的振荡衰减态势。

基于CLSVOF方法的三维单个上升气泡运动的数值模拟

运用CLSVOF方法数值模拟了三维单气泡在液体中的上升和变形过程,分别考察了液体的表面张力和浮力对上升气泡变形的影响。计算结果表明:CLSVOF方法能比较精确地跟踪三维单气泡在液体中的上升过程;在相同密度比和粘度比情况下,随着液体表面张力的减小和液体浮力的增大,气泡底部形成的射流使得气泡下缘凹陷变得明显,变形幅度加大,射流穿透气泡的时间提前。

基于CLSVOF方法的两层液体晃荡数值模拟

采用CLSVOF界面捕获方法对矩形舱两层液体晃荡问题进行了数值研究.首先,开展了数值自由衰减测试,验证线性势流理论得到的系统固有频率的准确性,并根据固有频率的计算值确定了模拟工况.然后,探讨了外部激励频率稍微偏离系统固有频率时,液液界面出现的拍频现象.最后,对比了计算和试验得到的液液界面形状以及高度时间历程,验证CLSVOF方法在模拟两层液体晃荡时的准确性.研究结果表明：数值方法可用于计算两层液体系统的固有频率并研究两层液体的晃荡特性;当液舱外部激励频率稍微偏离系统的固有频率时,液液界面也会像自由表面一样出现拍频现象,拍频波的频率取决于系统的固有频率以及液舱激励频率,频率值为二者差的绝对值.

乙醇液滴撞击高温壁面蒸发过程的模拟预测研究

采用CLSVOF方法,引入描述壁面润湿特性的动态接触角,建立了乙醇液滴撞击高温壁面的数值模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后的沸腾蒸发过程展开了研究,并与实验数据进行了对比验证.研究表明:在相同液滴温度下,壁面温度越高,亲水性越强,乙醇液滴的撞击速度越快,液滴的沸腾时间越早,蒸发完成所用时间也越短.在此研究基础上,基于机器学习算法,建立了液滴蒸发预测模型,对乙醇液滴撞击高温壁面后蒸发剩余量随时间的变化进行了预测研究,并通过将不同机器学习算法的预测结果与模拟结果对比,选出最优预测模型.

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。

深层隧道排水系统中井隧水力学特性研究

深层隧道排水系统(深隧)是布置于深层地下的大型排水工程,一般由调蓄隧道、入流竖井、通风设施(排气井)及排水泵站组成,具有调蓄雨洪及控制溢流污染的作用。其中调蓄隧道为避开地铁等城市地下工程往往布置于距离地面30~60 m深处,入流竖井连接地表浅层管网和深层隧道。深隧系统竖井内部的水力学特性复杂,具有单宽流量大、落差高及大量掺气等特点,处理不当将造成较大的破坏。而极端降雨期间,由于未能充分排气而产生的间歇喷涌,也会对设施造成损害。本研究采用物理模型试验和水-气两相流数学模型CLSVOF(Coupling Level Set and Volume Of Fluid),研究了不同结构竖井(旋流式竖井和螺旋阶梯式竖井)水力学特性和调蓄隧道中的间歇喷涌问题。根据施工条件设计的两种竖井方案的消能率接近,旋流竖井存在负压及较大震动、排气不畅,而螺旋阶梯式竖井流速较低且流态稳定。在对调蓄隧道中"间歇喷涌"的数值模拟研究中,排气井管径对间歇喷涌的影响十分显著,模拟情景中最剧烈的喷涌会产生5.35倍初始状态下的测压管水头和38.2 m/s的喷涌速度。