金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特性数值模拟研究

应用基于体跟踪的VOF方法对金属熔池往复搅拌流场中单个气泡的运动及变形特征进行了数值模拟研究.分析了搅拌流场的往复运动频率、气泡初始尺寸、表面张力以及奥托斯数Eo和莫顿数Mo等因素对气泡运动与变形的影响.数值模拟结果表明,气泡上升轨迹与气泡直径、流场平动频率及Mo有关,气泡直径越大,其螺旋上升趋势越强;在分析范围内,平...     

基于VOF法的近自由面水下爆炸气泡运动数值模拟

对于近水面水下爆炸气泡的运动特性,在结合SOLA算法差分格式,利用投影算法对气泡的控制方程进行数值求解的基础上,基于VOF法进行了数值模拟,并利用MSC.DYTRAN软件进行仿真分析,通过对两者的分析结果对比研究. 结果表明,基于结合SOLA算法差分格式的投影算法,利用VOF法可对水下爆炸气泡各时刻的运动界面进行较精确的捕捉和重构,从而实现精确追踪水下爆炸气泡脉动全物理过程的运动界面. 同时,也研究了距离参数对气泡坍塌、射流及环状气泡的影响,掌握了距离参数对近水面水下爆炸气泡运动特性的影响.      

亚网格内两相流动界面位置的精确定位算法

针对流体体积(VOF)法处理两相流动界面张力的虚拟流体方法无法准确确定亚网格内界面位置点的问题,提出了一种高精度的界面位置定位算法。该方法根据界面两侧单元界面曲度在亚网格内构建变曲度弧线,实现了两相界面的高精度近似,完成了网格单元中心连线和界面交点位置以及该位置的曲度的准确求取,成功地考虑了界面曲度对亚网格内界面位置的影响,同时方法本身不受网格类型及空间维度的限制。针对毛细管上升、静态液滴、二维气泡上升以及三维气泡上升等物理过程进行了模拟,结果表明:界面曲度对亚网格界面位置可产生显著影响;亚网格内界面位置的准确捕捉以及该位置点界面曲度的准确求取可以显著改善VOF方法的预测精度,模拟结果显示最好可提高3.5倍。该方法可为复杂结构内高表面张力驱动流提供新的预测手段。     

带内嵌固体的不可压缩气液两相界面流数值模拟方法

将水平集方法与浸没边界方法相结合,建立了一个模拟带内嵌固体的气液两相界面流的数值方法.该方法在固定的规则网格下采用水平集函数捕捉气液交界面,采用改进直接力形式的浸没边界方法处理流体与固体的相互作用.在改进的直接力格式中,基于描述流体-固体相的另一个水平集函数设计了一个速度插值算法,以计算流体与固体的相互作用力.最后,应用所提出的数值方法分别模拟了气泡和液滴撞击内嵌固体平板以及球形固体的过程,给出了液滴与气泡的变形和运动细节.数值模拟结果与已有的实验观测结果吻合较好,证明了所提出的方法的正确性.     

基于VOF方法发动机水下排气气泡特性研究

为了研究发动机水下排气气泡运动特性,从工程应用问题出发,分析气泡水下运动及演化特性.考虑重力、浮力、黏性阻力及表面张力作用,运用VOF(流体体积法)方法对气液两相界面进行追踪,对单气泡运动特性进行模拟计算,提出一种计算气泡形心坐标、运动轨迹、速度大小的方法;基于对菲克定律中扩散通量的求解模拟了单气泡在水中的溶解特性.结果表明:气泡在水下上升过程中底部持续向内凹陷,形状由球形变为扁椭球形或帽形;单气泡在水中的运动轨迹初始为直线,随后开始左右摆动上升,摆动幅度逐渐变大,为类S曲线;x方向速度从零开始增大,并在Vx=0这条直线上下波动,幅度逐渐增大;y方向速度经历了由零到快速增长、近似恒定、急剧减小的过程.     

一种改进的高效粒子水平集法及其应用

针对传统粒子水平集法效率较低,难以应用于复杂工程问题的不足,基于积分平均法及局部粒子初始化方法提出一种改进的高效粒子水平集法.将虚拟粒子引入水平集法不仅可以抑制数值扩散,而且可以降低传统方法对高精度离散格式的依赖性,从而使得引入低阶、高效的积分平均法后界面捕捉精度仍保持二阶.通过将粒子布置于界面局部曲率较大的区域,有效地提高了粒子对界面的修正效率,增加了界面光顺性.改进的高效粒子水平集法能保持良好的鲁棒性,在保证界面捕捉精度的同时显著提高计算效率,计算效率约提高90%.     

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.     

含有可变形界面的两相流和传递数值模拟

化工生产过程普遍涉及两相流动.两相流的数值模拟研究发展迅猛,对深入理解动量、热量和质量传递现象具有重要的指导意义.建立两相流和传递过程的数学模型并进行数值求解,特别是准确描述相界面的变形和运动,是当今两相流数值模拟研究的重点和难点.本文围绕含有可变形界面的两相流的数值模拟研究,主要介绍了两种典型的模拟可变形界面的水平集(Level Set,LS)方法和边界元法(Boundary Element Method,BEM).本文综述了近年来界面处理算法在含有可变形界面的两相流领域中的微流体、液滴撞击和溅落、气泡聚并破碎等数值模拟研究的现状和发展趋势.最后简要描述了两相流界面间质量传递的数值模拟方法.     

水平集方法在两相体系颗粒运动数值模拟中的应用

两相体系中颗粒或颗粒群的运动存在于许多工业过程中,建立了描述两个颗粒(液滴或气泡)在另一液相中运动和变形的三维模型,颗粒的界面用水平集方法捕获,耦合了水平集函数的Navier-Stokes方程用控制容积法和SIMPLEC算法进行求解. 用所建立的模型和算法研究了两种情形下的颗粒运动:两个空气气泡在玉米糖浆溶液中的运动和凝并过程,及两个煤油液滴在静止水相中的运动和变形过程,同时也做了两气泡运动的二维模拟. 两气泡运动的三维模拟结果与他人的实验结果比较一致,二维模拟结果与他人的二维数值模拟结果也比较一致,说明所建立的三维模型及算法能够描述两个气泡或液滴在另一液相中的运动和变形过程.     

表面张力对固壁近旁空化气泡溃灭特性的影响

导出了考虑表面张力影响下模拟固壁附近溃灭空化气泡特性的边界积分方法及数值求解方法．首次在本研究领域采用ENO插值方法进行网格重分，而无须对每点计算结果进行人为光滑化就能模拟气泡的大变形．对算法各个环节的分析及比较结果说明本数值方法和程序是正确的．数值模拟结果显示，表面张力对固壁附近小空化气泡溃灭特性的影响是非常显著的．     

气泡堆积法生成曲线多边形区域非结构化网格及其应用

对气泡堆积法进行改进,发展了一种基于气泡堆积法生成曲线多边形区域非结构化网格的算法,将曲线边界映射为直线完成气泡添加和位置动态调整,再通过弧长参数化的方法将气泡位置映射回曲线边界,避免了移动调整过程中气泡偏离曲线的问题.提出了一种简便的判断点在复杂曲线多边形区域内的方法,简单且易于编程.通过添加不同大小的顶点气泡以及在内部设置人工点源,利用加权平均法实现了网格的局部加密.应用基于非结构化同位网格的SIMPLE算法对环扇形空腔顸盖驱动流进行了数值模拟,不同雷诺数下的计算结果与文献结果吻合较好.     

冷却分析边界元法中积分奇异性的处理

分析三维边界元法中的积分奇异性，对冷却分析中的两类单元：水管单元和制品三角形单元分别采用不同的线性插值函数，并通过引进退化的积分变换，消除了积分时存在的倒数奇异性和二阶奇异性，并给出了带有源点的单元上积分的解析表达式．     

射流预测法与近壁三维爆炸气泡计算

针对近板壁三维爆炸气泡的计算,运用射流预测法和局部曲面拟合来改善泡面单元形态,解决了由于网络籴形而引起的计算不收敛问题,运用边界单元法来求解流,通过算例,给出气泡迁移,射流等重要动力学行为,得到爆炸气泡一个周期的解。     

Laplace方程的Galerkin边界元解法

Galerkin方法是基于变分原理基础上的一种把微分方程或积分方程转化为等价的变分方程。通过离散变分方程求原方程数值解的数值计算方法。把Laplace方程的边值问题转化为边界积分方程后，通过与边界积分方程等价的变分形式，采用线性单元，利用Galerkin边界元方法求解。在计算单元刚度矩阵时，对二重积分的第一重使用精确积分，第二重使用数值积分，从而有效克服了奇异积分的计算，数值算例验证了Galerkin方法误差的理论结果。     

三维Helmholtz方程的边界点方法

将移动最小二乘近似和边界积分方程相结合,提出了求解三维Helmholtz方程内外边值问题的无网格边界点方法.该方法用单层位势理论将Helmholtz方程转化为间接边界积分方程,并用边界点法离散间接边界积分方程.由于边界积分方程中含有基本解的积分计算时会出现弱奇异,详细推导了弱奇异积分的计算方式.数值算例表明了间接边界点法求解三维Helmholtz方程的有效性.     

有限体积法仿真金属塑性成形的关键技术

基于有限体积基本原理，对有限体积法模拟金属塑性成形中初始边值条件的生成、材料变形行为的动态跟踪描述、动态边界条件的处理等技术进行了详细的研究。探讨了有限体积网络体系的建立、模具及工件几何外形的描述、初始速度边界条件的获取以及摩擦边界条件的施加等问题，提出了表述变形体物理场量和跟踪描述变形体边界的技术路线，同时给出了选取时间加载步长以及处理动态接触约束条件的技术处理方法。从而有效地解决了有限体积法仿真金属塑性成形的关键技术问题。     

瞬态热传导问题的精细积分边界元法

对于三维瞬态热传导问题,在考虑内部热源的情况下,采用双重互易边界元法(DRBEM)结合精细积分法(PIM)进行求解。该方法根据含有内部热源的各向同性介质瞬态常系数热传导问题的控制方程,通过加权余量法推导出相应的边界积分方程,然后用双互易法(DRM)处理得到的边界积分方程,将热源项和温度关于时间导数项引起的域积分通过径向基函数(RBF)逼近后转化为边界积分。之后将边界积分方程离散,得到与时间相关的一阶常系数微分方程组,最后,在获得解析解的过程中,通过PIM处理其中的矩阵指数函数(MEF)。通过三个数值算例来验证该方法的准确性和稳定性。     

水下高压气体弹射柱体出筒时尾随气泡的数值模拟

从流体动力学角度研究了文题．整个系统分为气泡流场和外部水流场．气泡流场采用零维模型，且假定内部气体作绝热膨胀运动．水流场模型中，假定流体不可压缩、无粘、无旋，忽略液气界面的表面张力，采用在湿表面和气泡表面布置面源的边界无法求解．气泡表面满足运动学边界条件和动力学边界条件，湿表面满足运动学边界条件，据此求解源强的分布．处理了气泡与裙体相碰问题，在气泡与筒体交接处引入虚环，避免了此处强烈的奇性．计算结果显示，裙体所受压力在很短时间内达到最大值，之后迅速下降到负值．     

直接法与间接法求解固角系数的比较

为提高边界元方法在工程计算中的效率,研究直接法与间接法求解固角系数的优缺点.以边界积分方程方法模拟非线性数值波浪水槽为例,分别用直接法和间接法求解固角系数.经与五阶深水斯托克斯波波面结果相比,两种方法获得的结果均与解析解吻合很好.但采用间接法求解固角系数时,计算域必须是封闭的,即便在计算域末端布置阻尼层消波,出流边界也不能省略.同时,随着计算域的增大,间接法求解固角系数的计算量较直接法大.总之,直接法比间接法更加方便经济.