三角形网格上VOF运动界面重构的流体体积分数保持法

针对处理无结构三角形网格上运动界面问题的流体体积函数(VOF)法提出一种新的界面重构算法——流体体积分数保持法。该方法在单个三角形网格内用斜线段近似运动界面,并要求相邻网格内的斜线段在公共边上的交点重合,通过保持网格内的流体体积分数不变,根据界面网格类型在边界网格上建立非线性方程组,最后通过求解该非线性方程组确定运动界面边界线与网格线的交点位置,最终重构出运动界面的形状。算例模拟的结果表明,该方法能够比较精确的构造出流体界面,证实了新方法的有效性和可行性。

NMR束缚流体体积确定方法及其应用条件

NMR测井不能直接测定束缚流体饱和度 (Swir)和束缚总流体 (BVI)体积 ,而是根据T2 分布和有效孔隙度(e)间接确定。其精度取决于解释T2 分布所选用的方法及其相关参数。NMR测井确定BVI方法有T2 截止值方法 ,频谱BVI(简称SBVI)方法和BVI加权函数方法。

基于OpenFOAM几何流体体积方法的波浪数值模拟

波浪数值模拟一直是船舶海洋工程领域非常重要的研究课题.该研究基于开源计算流体力学分析平台OpenFOAM对Stokes五阶波进行模拟.由于几何流体体积(VOF)方法中的几何重构处理能够实现对自由液面更精准的捕捉,所以该研究采用了OpenFOAM内置几何VOF方法——isoAdvector方法,进行自由液面捕捉,通过二次开发引入松弛区方法进行消波处理.对几何VOF方法下网格密度及库朗数进行了收敛性分析,发现可用较大库朗数获得较好的波浪模拟结果;在不同波陡和波频情况下,对几何VOF方法和代数VOF方法模拟波浪的波高及相位进行分析,并与Stokes五阶波理论值进行了对比,研究表明几何VOF方法能更好地对波高进行模拟.最后探讨了松弛区方法中消波区长度及权重分布对消波效果的影响,结果显示大于2倍波长的消波区长度配合指数权重分布可达到最佳消波效果.

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.

基于VOF方法和DFBI模型的溃坝水流数值模拟

为了评价在溃坝冲击效应问题中流体体积函数(VOF)方法与流体–刚体相互作用(DFBI)模型结合的适用性,本文开展了挡板溃坝的高速可视化实验。观测了液位变化及挡板摆角变化,结合Overset网格技术,对挡板溃坝问题开展了计算流体力学(CFD)数值模拟。在验证分析中,比较了不同初始液位条件下实验和数值模拟得到的溃坝最高液位和挡板摆角的变化。结果表明,VOF方法结合DFBI模型能够较好处理溃坝冲击效应问题。

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．

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。

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。

自适应Walsh函数有限体积方法

Walsh函数有限体积方法(FVM-WBF)是一种具备网格内部捕捉间断能力的新型数值方法。全局增加网格单元内Walsh基函数的数目可以有效提升FVM-WBF方法的数值分辨率,但同时会带来计算量的急剧增加。为了平衡FVM-WBF方法分辨率和计算效率之间的矛盾,利用Walsh基函数的数值特性,提出了一种结合自适应策略的Walsh函数有限体积方法。该方法根据流场特征动态调整网格单元内的Walsh基函数数目,仅在流场结构变化剧烈的局部区域使用足量的基函数,避免全局性增加基函数所引发的计算量爆发式增长。选取二维非定常双马赫反射、RayleighTaylor不稳定性问题和定常NACA0012翼型绕流为算例,将新发展的自适应Walsh函数有限体积方法与原始Walsh函数有限体积方法进行对比测试。理论分析和数值结果表明,Walsh函数有限体积方法“天然”具备便捷的自适应潜能,能够方便地依据流场特征动态地实现Walsh基函数数目的优化配置,实现高分辨率和高效率的双赢。

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。

基于VOF两相流的缸盖过冷沸腾模型及试验验证

以流体体积(VOF)两相流方法为基础建立了适用于高强化柴油机缸盖的过冷沸腾传热模型.该模型考虑了过冷流动沸腾中的蒸发和冷凝现象.采用T型管和铸铝缸盖两个传热试验对上述模型进行验证.结果显示:T型管传热试验在高壁面过热度下,模型计算误差能控制在5%以内;铸铝缸盖火力面测温试验结果与模型预测结果之间的平均误差为5.6%.上述结果充分表明,提出的基于VOF两相流方法的过冷沸腾传热模型有较强的适用性,能够预测较宽范围内过冷流动沸腾现象.

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%.

翼型波浪水面巡航地面效应数值模拟

数值求解非定常不可压缩流动的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型,用VOR(Volume Of Fluid)方法模拟波浪水面,模拟了NACA2410翼型在波浪水面上方飞行的流场.研究了余弦波浪水面的生成方法,选取合适的计算网格和时间步长,避免了在生成规则余弦波浪水面时由于数值耗散使波面形状衰减.比较了固壁波浪与水面波浪计算结果的差异,发现固壁波浪的结果更接近余弦曲线分布.研究了波浪等级对翼型气动性能的影响,分析计算结果发现:在规则的余弦水面波浪上方飞行,翼型气动力呈现周期性,给出了一个周期内气动力的变化过程,以及波长和波幅对气动力平均值和波动幅度的影响规律.

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。

利用并行算法分析平底结构砰击作用下具有自由表面水域的水动力特性

采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素。利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察平底结构从一定的高度以一定速度落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象。数值模拟结果表明:采用所提出的数值方法可以对平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟。所利用若干台多核微型计算机对平底结构撞击自由水面所引起的砰击问题进行的并行算法,为利用并行算法分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象进行了有益的尝试。

水翼型水上飞机水动性能数值计算及分析

采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法对水翼型水上飞机水面起飞过程水动性能进行计算.使用Realizable k-ε模型对NACA0012三维地效机翼进行计算,验证空气动力计算方法.使用流体体积函数(VOF)方法对验证模型在不同弗汝德数下进行数值模拟,验证水动力计算方法.最后,对水翼型和双浮筒型水上飞机水面起飞过程进行数值计算,计算结果表明,水翼能够产生较大水动升力,当速度达到12 m/s时,水翼产生的水动升力将机身抬离水面;水翼水动升力峰值为6395 N,约占飞机总升力的83%,双浮筒型水上飞机阻力增加较快,其阻力峰值约为水翼型水上飞机阻力峰值的1.87倍,从而证明了水翼能够产生较大水动升力并能有效降低水上飞机的水动阻力.

弯曲微通道中液滴内混合过程的数值模拟研究

微混合器内采用多相流操作条件使混合在液滴中进行,能有效提高微混合器的混合效率以及消除单相流操作条件下所存在的分散效应。在流体体积函数法(VOF)的计算流体力学基础上,分别采用欧拉-示踪剂法以及拉格朗日-示踪粒子法对弯曲微通道中液滴内部的混合状态演变过程进行模拟研究,得到了液滴经过通道不同位置其内部的混合快照图并计算了其混合程度的变化。两种方法都显示在液滴通过蛇形弯曲微混合器时,液滴内部产生了混沌流。正是由于混沌混合现象的存在,使得液滴内混合组分能够达到快速有效地混合,混合效率较高。对两种不同模拟方法及实验结果的比较发现,欧拉-示踪剂法能够更好地模拟实际的混合效果,而拉格朗日-示踪粒子法能够更清晰地模拟混合组分界面的变化情况,适用于研究液滴内混沌混合现象。

波浪与水囊潜堤相互作用的数值模拟

基于黏性流体力学理论构建波浪与水囊潜堤相互作用的计算流体力学数值模型。利用高阶差分方法求解纳维斯托克斯方程,采用有限元方法求解结构动力学方程,采用虚拟单元浸入边界法实现流体和固体求解器的高精度耦合求解。通过流体体积方法实现界面重构,与试验结果比较验证模型的有效性。对规则波与不同充盈水囊潜堤相互作用进行数值模拟,寻找合适的充盈度、探求其消波机制。结果表明:1)开发的数值模型可有效模拟波浪与水囊潜堤相互作用过程中的波浪变形和结构响应;2)非充盈柔性水囊潜堤的大幅度振动更易促使结构附近涡旋的演化与脱落,并伴随着能量的耗散。