容器中液体晃动的数值模拟

文章介绍了通度的概念和VOF方法的计算原理,采用修正的VOF方法跟踪自由表面,应用改进的三维施主与受主单元模型求解流体体积函数F的输运方程,通过编程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,计算结果与实验分析相吻合。     

一种新的流体自由表面张力模拟方法

在流体模拟中，为了真实、有效地捕捉流体自由表面的微观特征，表面张力的真实模拟十分重要。针对现有的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force, IIF)方法模拟流体表面张力存在的流体自由表面不光滑、计算效率低、模拟效果不稳定等问题，文章提出一种新的流体自由表面张力模拟方法。首先提出一种快速准确检测流体自由表面粒子方法；然后构造新的粒子间作用力模型和表面面积最小化修正项，对检测出的自由表面粒子进行表面张力模拟，减少不必要的计算量；最后对临近自由表面处的流体粒子进行密度修正，提高自由表面附近流体粒子密度的计算精度。仿真结果表明，与已有的方法相比，该文方法对表面张力的模拟效率更高、效果更好。     

二维溃坝的数值模拟研究

为了研究溃坝问题中流体的运动和自由液面的演变,针对简化的块状水坍塌进行了数值模拟。其中,流体控制方程通过有限体积法进行离散,方程的对流项和扩散项分别采用了一阶迎风格式和中心差分格式;对压力与速度耦合的离散方程以IDEAL算法进行求解;以流体体积分数法和PLIC方法进行自由液面捕捉和重构;对两相流问题中的表面张力通过连续表面力(CSF)模型进行转化。基于上,分别对有限空间内的二维溃坝和带障碍物溃坝问题进行了数值模拟,对不同时刻的自由液面进行了捕捉并与实验结果进行了对比,证明了所采用方法的精确性。     

铸造充型过程初始温度场的数值模拟及实验研究

对铸造充型过程进行数值模拟是铸造计算机辅助工艺设计的重要内容之一。对铸件充型过程的流场温度场变化及初始温度分布进行了数值模拟研究。在计算方法改进方面，以二维ＶＯＦ方法为基础，提出了一种简单实用的三维自由表面处理技术。用显式热焓法求解能量方程，显著缩短了计算时间。为验证这些计算方法，以灰铸铁试件为例，对其初始温度场进行了重复测试。模拟结果与实测结果吻合较好。     

近自由面水翼性能分析

为了研究近自由面下水翼附近的黏性流动,通过有限体积法对雷诺时均N-S方程进行数值求解,速度压力耦合方式采用SIMPLEC解法,用流体体积函数模型来捕捉自由液面。首先将数值计算结果与实验值进行对比以验证所用数值方法的可行性,随后进一步研究了水翼的兴波、表面压力分布以及其水动力性能,并针对翻卷波现象进行了分析。从计算结果可以看出,距离自由面越近,水翼的升力和阻力越小。当水翼距离自由液面4倍弦长距离后,自由液面的影响基本可以忽略。     

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。     

低重环境航天器贮箱内三维液体晃动数值模拟

为了研究低重环境下航天器贮箱内液体晃动的特性,采用了任意Lagrange-Euler有限元方法描述贮箱内不可压粘性液体的运动。用Laplace-Young表面张力公式将表面张力效应引入自由液面边界条件,采用最小二乘数值逼近方法拟合自由液面平均曲率,给出了含表面张力的动力学边界条件的数值计算形式。数值模拟显示:低重环境下,由于表面张力效应,液面平衡位置会升高;该平衡液面与常重情况下的平衡液面有明显不同,可以在任何位置以不同的形状出现。     

用改进的 SOLA-VOF 法模拟铸造充型过程

铸造充型过程对铸件质量的影响很大，文中对流体充型过程的数值模拟做了研究。以ＳＯＬＡ－ＶＯＦ法为基础提出了改进算法。在三维自由表面处理上，提出一种简单而实用的方法，对原算法的累积流量误差做了修正，方程求解改用预处理共轭梯度法，保证了解的收敛性。为了模拟紊流现象，引入了Ｋ－ε双方程模型，用实验验证这些改进的效果，又用国际会议的标准检验实验进行了验证，着重于紊流现象的分析，模拟结果与验证实验吻合较好。     

基于毛细孔张力理论的混凝土干缩模型

以毛细孔张力理论为基础,采用ANSYS有限元软件建立了混凝土内单个毛细孔的数值分析模型,对混凝土的干缩应变和干缩应力进行了模拟计算.假定混凝土内液体表面张力为定值,凹液面主曲率半径依次下降为不同值,利用ANSYS有限元软件计算毛细孔相应的径向收缩位移,据此计算单个毛细孔的体积干缩应变及相应混凝土的体积干缩应变.其次,计算当凹液面主曲率半径下降幅度不变,而使毛细孔隙内液体表面张力依次降低,利用同样的方法计算相应的单个毛细孔的体积干缩应变及相应混凝土的体积干缩应变.根据上述计算结果,分别绘制混凝土的体积干缩应变随混凝土毛细孔隙内凹液面主曲率半径及液体表面张力的变化曲线,从而近似地找出了混凝土干缩应变与毛细孔内液体表面张力、凹液面主曲率半径之间的关系.从微观角度建立了混凝土干缩应变的估算模型.     

浮体浅水非线性波动问题的Boussinesq方程求解方法

提出一种求解浮体波动问题的新方法，即将浮体与流体接触的物面作为自由表面处理，Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程用于此类问题的全域直接求解。为验证其可行性，计算了浅水孤立波对固定浮体的反射与透射问题，与已有结果吻合得很好，表明新方法是可行的。     

丁坝群三维水流数值研究

丁坝是河道整治及防洪护岸工程中一种常见的建筑物,丁坝水流一般是具有不规则的曲面边界和自由表面的三维紊流,本文采用修正的K-ε模型封闭Reynolds方程作为紊流控制方程、引入通度概念处理不规则边界、引入VOF法追踪自由表面,对丁坝群三维水流进行了数值模拟,给出了自由表面形状、流速分布图及回流长度,并与试验结果进行了比较,从水流条件出发,给出了丁坝群间距的推荐值。     

Numerical Simulation of Condensation-induced Water-hammer

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

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。     

气液两相管流相界面检测及数值模拟研究进展

准确识别相界面结构形态是相界面力学分析的基础,也是研究气液两相流动规律的一种重要技术手段。针对动力、能源、化工、医药及航空等领域气液两相管流的相界面拓扑性强、变化速度快、实现准确测量难度大等特点,开展了气液两相管流相界面检测技术和数值模拟方法的综述研究。相界面检测技术主要有电容法、电导法、光导法、射线法、热学法、声学法、核磁共振法以及近年来发展起来的金属丝网传感器检测技术、过程层析成像技术和高速粒子成像技术;数值模拟方法有PIC法、MAC法、ALE法、VOF法和Level-Set法等。通过对比分析各种方法的优势和局限性,提出了气液相界面的追踪检测技术的研究策略和发展趋势,可为气液两相流的研究提供有益参考。     

分岔与畸变血管中血液绕体流动的数值分析

本文采用边界元方法研究了分岔与畸变血管中血液绕物体的流动，给出血流的速度场、压力分布、物面和血管壁的面力，并给出物体阻力系数。讨论了当物体趋近管壁时，面力和阻力系数的变化，数值研究表明，本文方法是有效的，同时，也为生物工程和其他低雷诺数流动数值分析提供了有价值的方法。     

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     

基于流体体积法和浸入边界法的粘性二相流模型对带障碍物溃坝的数值模拟

本研究提出了一种基于浸入边界法（IBM）和流体体积法（VOF）的粘性二相流的数值模型。其中,IBM用于处理流体中的固体边界的影响,VOF用来捕捉自由液面。由于自由液面处流体的密度和粘性系数是变化的,所以,在流场控制方程中将密度和粘性系数也当作变量来处理。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,并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。     

不同底坡有流流场中单个气泡运动的三维数值模拟

为了对不同水底地形和不同来流情况下,单个气泡上升并与自由表面相互作用的运动进行三维数值模拟,采用了VOF中的PLIC界面重构方法.结果表明:有无来流及来流大小对水平底面的气泡上升运动几乎没有影响.从不同水底坡度和不同来流速度耦舍下气泡运动发现,流速和底坡的耦合能有效增大气泡上升速度和自由表面抬升高度,并增大气泡变形.底坡坡度或速度越大,气泡相应物理量增幅也越大,变形更明显.