基于VOF和浸入边界法的粘性二相流模型对LNG液舱晃荡的数值模拟

摘要 本文采用基于Volume of Fluid（VOF）方法和浸入边界法的粘性二相流模型对LNG液舱（棱形液舱）的晃荡问题进行数值模拟。粘性二相流模型采用一套控制方程进行处理。整个计算区域为矩形,自由液面的跟踪和更新采用VOF方法,斜边边界的处理考虑用到浸入边界法,把边界以外的当成是固体,在对VOF中的体积分数F的处理时引入通度系数以适应斜边边界。最后模拟得到液舱横荡的运动过程,对研究这一类型的晃荡运动具有参考价值。     

基于浸入边界法和流体体积法的黏性二相流模型对含障碍物溃坝的数值模拟

采用了一种基于浸入边界法(IBM)和流体体积法(VOF)的黏性二相流的数值模型。基于该模型对带障碍物的溃坝这个经典的问题进行了数值模拟,将数值模拟结果与其他研究者的试验及模拟结果进行了对比分析,验证了该数值模型的有效性和实用性。     

基于VOF和浸入边界法的黏性二相流模型对LNG液舱晃荡的数值模拟

采用基于Volume of Fluid(VOF)方法和浸入边界法的黏性二相流模型对LNG液舱(棱形液舱)的晃荡问题进行数值模拟。黏性二相流模型采用一套控制方程进行处理。整个计算区域为矩形,自由液面的跟踪和更新采用VOF方法,斜边边界的处理考虑用到浸入边界法,把边界以外的当成是固体,在对VOF中的体积分数F的处理时引入通度系数以适应斜边边界。最后模拟得到液舱横荡的运动过程,对研究这一类型的晃荡运动具有参考价值。     

容器中自由液面波动的三维数值模拟

跟踪自由表面的流体体积函数法（ＶＯＦ方法）建立在部分流体体积基础上，是解决具有表面张力的液面波动问题的一种有效方法，该方法可利用部分单元体处理曲边界和内部障碍物。本文介绍了ＶＯＦ数值计算方法的基本原理，并用ＶＯＦ方法编制了程序，模拟计算了容器中具有自由表面的三维、非定常液面波动问题，得到了典型流动模型的计算结果，结果与物理分析相吻合，证明ＶＯＦ方法是解决具有表面张力的自由液面波动问题的一种有效方法，可为工程设计提供理论依据。     

基于潜堤地形上的波浪传播模拟

该文应用软件为FLUENT流体分析软件,控制方程为连续性方程和Navier-Stokes方程。应用GAMBIT建立数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG湍流模型和VOF自由液面捕捉方法,利用FLUENT的二次开发编写源程序,赋予前边界造波功能,形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。建立潜堤地形下的波浪水槽模型,模拟潜堤地形下的波浪传播,其结果与实验值对比吻合良好,验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。     

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.     

基于VOF法的絮凝搅拌器流场数值模拟

应用流体体积函数(volume fluid,VOF)法和RNGk-ε湍流模型,对絮凝搅拌器在不同搅拌速度时的流场进行了三维数值模拟。结果表明:VOF法可以较好地模拟气液界面,速度矢量模拟结果可以解释液面下凹现象;不同搅拌速度时的液相体积平均速度梯度模拟结果与搅拌机给定的平均速度梯度值非常接近;搅拌器内液相的局部速度梯度差异显著(可达2～3个数量级,桨叶附近的局部速度梯度最大),然而不同截面的平均速度梯度差异并不显著(1个数量级之内)。     

推波板制造双频波数值模拟

该文应用软件为FLUENT流体分析软件,控制方程为连续性方程和Navie r-Stokes方程。应用GAMBIT建主数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG湍流模型和VOF自由液面捕捉方法,利用FLUENT的二次开发编写源程序,赋予前边界造波功能,以及后边界数值消波功能,采用动网格来实现推波板单频造波。其与实际物理实验造波原理相符。并在此基础上,以stokes有限振幅波理论为基本理论,运用二阶双色波的推波板运动方程实现非线性双频波造波数值模拟。     

近自由液面螺旋桨吸气数值模拟

基于雷诺时均(RANS)法,采用剪切应力输送(SST) k-ω模型及与流体体积(VOF)法相结合的方式,对近自由液面工作的螺旋桨进行数值模拟,分析了螺旋桨与自由液面的相互作用关系及吸气对螺旋桨的影响.结果表明:吸气的发生机制与自由液面涡和梢涡有关,且自由液面涡和梢涡的作用大小与螺旋桨的浸没深度相关;螺旋桨由于吸气现象会出现推力损失及扭矩损失,且当螺旋桨与自由液面的距离越近、进速系数越小时,推力损失和扭矩损失的变化波动越剧烈,其稳定后的平均值也越小;由于吸气现象引起的自由液面的不规则变形会对螺旋桨的性能产生较大影响.     

基于自由液面预测的非线性液体晃动问题的数值模拟

针对一类矩形贮液箱的非线性晃动问题,提出一种基于有限差分算法的数值模拟方法.该方法首先采用σ变换将流体区域转化为矩形域;然后在时间迭代的过程中,运用自由液面运动学条件的显格式预测出下一时层的自由液面形状,并对边界条件中的非线性项作近似处理,由此得到描述下一时层各状态量的离散线性方程;最后根据数值解来对下一时层的自由液面进行校正.使用该方法计算了自由晃动、受迫晃动和行波3种情况,数值计算结果表明该方法具有良好的收敛性和准确性,能够有效地实现非线性晃动过程.此外,这种预测校正格式能够在保证算法稳定性的前提下,灵活地处理包含运动边界的数学问题.     

基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应,对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型,对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度,结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析,弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好,表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。     

一种适用于移动粒子半隐式法的自由表面识别方法

针对移动粒子半隐式 (MPS) 法中自由表面判定方法的不足,提出了一种基于邻居搜索的自由表面识别方法,其介于MPS法每时间步的显式和隐式修正之间,基于粒子周围的邻居分布,将周围区域分为8块,其中相邻区域无邻居时的粒子属于自由表面粒子,且在实际中,该方法与粒子数密度参数混合使用,在可能被误判的数密度参数区域使用邻居搜索.结果表明,该混合方法能够有效识别自由表面,避免非自由表面粒子被误判,且对算法的效率影响不大.     

表面波纹对HSX填料传质影响的计算流体力学(CFD)模拟

应用计算流体力学（CFD）方法和流体体积（VOF）模型对气液两相流动行为和传质过程进行了研究。分别对富氧水在光滑板与波纹板上的解析进行了实验和CFD模拟研究,模拟结果显示波纹结构对于增加传质推动力有明显的作用;在液相雷诺数Re<90时,波纹板的传质效率比光滑板高出20%左右。对由CFD模拟得到的流场信息进行分析,结果表明波纹的存在增加了流体的湍动,造成波纹板传质效率增加;随着液相雷诺数的增大,波纹对气液相界面的影响逐渐减小,波纹板与光滑板传质效率的差值逐渐减小。模拟结果与实验结果吻合度较高。     

黏度对垂直上升管段塞流流动规律的影响

为研究在不同黏度的条件下的垂直管段塞流流动特性,进行了实验和数值模拟研究,对不同黏度下的截面压力、含液率、压差波动信号及压降值进行分析.结果表明:液相黏度的增大使气塞长度减小,并缩短至7.5～9倍的管径,段塞周期缩短,管道截面压力和压差波动会随之加快,平均持液率也逐渐增大,Mukherjee-Brill模型无法准确预测高黏油气流动的持液率,VOF(volume of fluent model)模型的持液率计算精度较高.液相黏度的变化对段塞流压降有一定影响,实验和模拟计算中都出现了负摩阻压降现象,总压降随着黏度增大而增大;Beggs-Brill模型的压降计算精度随着黏度的增加而降低,Hagedorn-Brown模型和VOF模型对压降的预测效果较好,误差低于15％,可见优于其他模型.     

半无限长柱体出水数值模拟

自由面流动在工程问题中经常遇到。为研究半无限长柱体出水过程中 ,不同的 We和 Fr对自由面的影响 ,基于VOF(volume of fluid)的基本思想 ,使用改进的 Youngs算法实现体积分数的近似和推进 ,对问题进行了数值研究 ,分别得到了该问题的 We和 Fr临界值 :当 We大于临界值时 ,可以忽略表面张力的作用 ;当 Fr大于临界值时 ,可以忽略重力的影响     

Numerical Simulation of Condensation-induced Water-hammer

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ┐ｉｎｄｕｃｅｄＷａｔｅｒ┐ｈａｍｍｅｒＹａｏＺｈａｏｈｕｉ（姚朝晖），ＺｈａｎｇＸｉｗｅｎ（张锡文），ＷａｎｇＸｕｅｆａｎｇ（王学芳）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭ...     

水上飞机静水起飞过程水气耦合性能分析

采用多相URANS(unsteady RANS)方法,针对水上飞机静水起飞过程中的性能分析,提出了一种新的数值模拟研究思路。通过考虑起飞过程中气动力和水动力之间的耦合影响、升力和浮力对水线位置高度变化的影响以及阻力和发动机推力对模型前进速度的影响,得到模型起飞过程中的受力变化趋势。模拟前通过分别计算标准模型的气动力和水动力并与实验数据对比,对数值计算方法进行了验证,模拟过程中通过VOF(volume of fluid)方法实现对自由液面界面的捕捉,最后通过对静水起飞过程中模型受力变化进行分析并与实验结果比较,对本文中的水气耦合数值计算进行了验证,计算结果表明,水上飞机低压载状态起飞过程中所受总阻力是缓慢增加的,并不会出现往复;同时水线高度逐渐下降,下降速度逐渐加快,且不会出现埋艏现象。     

考虑自由液面的船-桨干扰特性数值模拟

以KCS船与KP505桨为研究对象,应用FLUENT软件分别对KCS船、KP505桨、考虑自由液面的船-桨组合体进行数值模拟,其中船-桨干扰计算采用VOF法和滑移网格技术。比较分析数值结果和试验结果,吻合较好,表明所用方法能很好模拟船-桨间的互扰现象。本文研究结果为研究船-桨干扰提供了更可靠的研究手段。