界面模拟方法在气泡运动领域的应用述评

介绍了几种界面模拟方法如边界积分方法、锋面跟踪法、VOF方法以及水平集方法的基本思想.对这几种方法在模拟气泡运动领域取得的成果进行了总结:边界积分方法在模拟三维界面流动方面存在局限性;锋面跟踪法在模拟大量气泡动力学特性方面取得了一定的进展,但未对气泡在上升过程中的破裂及融合现象加以考虑;VOF方法及水平集方法则以计算量小、模拟精度高而越来越受到广泛的关注.     

基于VOF方法的可调参数对气泡聚并过程计算精度与成本的影响

气泡聚并通过改变气液两相间界面面积,影响相间的传热和传质,而聚并时间和液膜厚度是描述2个气泡聚并过程的重要物理参数。采用流体体积(VOF)方法对气泡聚并过程进行数值模拟时,合理设置计算流程中可调参数(例如网格尺寸、最大库朗数以及方程循环次数等),有助于提高求解过程的收敛性、节省计算时间。因此,本文基于OpenFOAM开源软件,采用VOF方法与自适应网格相结合的方法,以同轴两气泡聚并过程为例,探究最大库朗数Co_max、相方程循环次数n_α和控制方程循环次数n_pimple这3个参数对气泡聚并过程数值模拟的计算量与计算精度的影响,同时,得到气泡间液膜厚度在可调参数不同取值时随时间的变化规律。研究结果表明：气泡间液膜的变薄速度与最大库朗数Co_max成反比,与相方程循环次数n_α和控制方程循环次数n_pimple成正比,这主要是由于减小最大库朗数Co_max以及增大相方程循环次数n_α和控制方程循环次数n_pimple     

单个三维气泡运动的直接数值模拟

采用VOF（Volume—of-Fluid）中的PLIC（Piecewise Linear Interface Calculation）界面重构方法模拟了三维气泡在另一种静止流体中的上升和变形运动;在数值模拟的例子中分别考察了不同黏度和表面张力对气泡在上升过程中的变形及上升速度等的影响．计算结果表明,PLIC界面重构方法可以正确地模拟气泡的变形、破裂等过程．黏性和表面张力在气泡运动过程中的作用可以用Eoetvoes数和Reynolds数来描述．在相同的密度和黏度比的情况下,表面张力越大,则气泡的形状变化越小,上升的速度越快,表面张力起着使气泡保持原状的作用;黏性越小,则气泡在上升过程中射流穿透上表面的时间越早,变形速度越快．     

基于数值模拟的气液相界面积计算方法

相界面积对气液两相流中传热、传质、物理化学反应等动力学过程影响重大。为获取这一参数,提出一种根据两相流数值模拟结果计算相界面积的方法。此方法借鉴分段线性重构界面的思想,在各网格单元内以平面近似真实相界曲面,根据目标流体的体积分数及其梯度向量将网格内相界面形貌归为五类,进而采用不同的方法分别计算各类相界面的面积。在铜转炉熔池内两相流数值模拟结果分析中的应用效果表明：该方法能有效提取两相流体系中任意区域的相界面积,从而为体系动力学特征的定量分析提供依据。利用相界面积数据,进一步计算了氧气利用率并识别出熔池内“高效反应区”,计算和识别结果与工程实际吻合,证实了该方法的准确性。     

二维多介质流动问题的守恒型界面处理方法研究

本文开展了二维多介质流动问题的界面处理方法研究。利用level-set函数确定界面的位置,界面将跨界面网格分割为两个新的网格,利用Heaviside函数确定新网格单元面积,对于出现的小网格单元,可以将小网格单元与之紧靠的网格单元（与小网格单元属于同一介质）合并,以提高计算精度和计算效率。数值试验表明该方法能准确地捕捉界面和间断的位置。     

磁性液体两相界面演变特性的数值研究

为了克服VOF,Level Set等方法在磁性液体两相流动研究中存在的不足,采用界面追踪法(VOSET,coupled Volume-of-Fluid and Level Set)捕捉相界面,将磁场力作为源项添加到流体运动的动量方程中,建立了磁性液体流场与磁场耦合的数值方法。推导了麦克斯韦方程的二维理论解并用于验证数值解,两者吻合良好,验证了磁场求解的正确性;同时通过模拟磁性液体液滴的平衡形状验证了本数值方法的准确性;进而分别研究了均匀磁场作用下磁性液体液滴振荡及非磁性气泡在磁性液体中上升的问题。研究结果表明,液滴或气泡均会沿磁场方向拉长,增大磁场强度或磁化率将导致更显著的变形;磁感线在相界面出现弯曲,弯曲方向指向磁导率较大的介质。     

模拟两相流动问题的修正扩展有限元方法

基于SUPG/PSPG稳定化方法,在处理两相流不连续问题时,引入修正扩展有限元方法使混合单元附加形函数满足单位分解原理,给出一种模拟两相流体流动问题的扩展有限元方法.在模拟两相流体流动过程中采用水平集方法捕捉流体运动界面.利用编制的计算程序模拟液体自由晃动问题,数值模拟结果与理论解一致.进一步采用本文方法和有限元方法模拟了溃坝流动问题,并将数值结果与实验结果进行比较,结果表明本文方法更有效.本文方法能够准确捕捉流体运动过程中两相界面的变化,且具有在计算过程中无需进行网格重构的优点.     

无结构三角形网格下运动界面追踪的WENO有限体积法

在处理运动界面追踪问题的流体体积函数(VOF)法的基础上,给出了一种无结构三角形网格下的高分辨率的运动界面捕捉方法.该方法采用高精度的加权本质无振荡(WENO)有限体积格式离散VOF函数的空间导数,采用三阶TVD Runge-kutta方法离散时间导数,采用Lax-Friedrichs通量作为数值流通量.数值试验结果表明,用该方法来进行旋转速度场和剪切速度场的运动界面追踪,可以得到与理论解非常一致的追踪结果.     

带埋置弹簧界面单元模型研究

为克服采用弹簧单元模拟钢-混凝土组合结构的连接件时网格划分要顾及连接件位置的缺陷,提出了一种新型的带埋置弹簧界面单元模型。在该模型中,界面单元用于模拟钢板和混凝土之间的接触,弹簧用于模拟连接件的作用,可位于界面单元内任何位置。该模型既能合理考虑钢板与混凝土界面上的各种连接作用,又能使单元划分不受连接件位置的影响。推出试验模型和钢管混凝土拱桥拱脚等算例表明,该模型网格划分方便,计算精度较高,适用于实际工程的计算分析。     

气泡群动力特性模拟分析

采用VOF(volume-of-fluid)中的PLIC(piecewise linear interface calculation)界面重构方法模拟研究了三维气泡群的上升过程及其对周围流场的扰动.重点分析考察了大量气泡上升过程中的动力学特性,伴随着随机的碰撞与融合等现象,气泡分布经历了由规则到扇形体再到随机的过程;在大雷诺数时融合过程表现为整体行为.受到融合过程的影响,周围流场表现出明显的振荡现象,且气泡群中心受到的扰动高于外围流体.