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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

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第7期54卷 2867-2877页

作者：周萍蒋怡廖义香李家栋中南大学能源科学与工程学院湖南长沙410083 亥姆霍茨德累斯顿−罗森多夫研究中心德国德累斯顿01328

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... 详细信息

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nα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nα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nα和控制方程循环次数n_(pimple)提高了计算精度,改善了流体在网格单元上移动滞后的现象,加快了两气泡聚并以及液膜减薄过程;综合考虑计算精度与计算成本,得到了基于VOF方法的气泡聚并数值模拟较优的可调参数组合,即(Co_(max),nα,n_(pimple))=(0.05,3,8)。

关键词： OpenFOAM 气泡聚并流体体积方法自适应网格可调参数计算精度计算成本

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多周期稳定数值造波的参数设计方法

中国舰船研究 2022年第1期17卷 99-107页

作者：吕磊陈作钢上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

[目的]针对数值模拟中波浪随传播时间和距离发生波幅衰减及相位偏移的问题,提出一套可用于多周期稳定造波的参数设计方法。[方法]基于Navier-Stokes方程和流体体积(VOF)方法进行五阶Stokes波数值模拟,通过对一维波动方程的离散形式进行... 详细信息

[目的]针对数值模拟中波浪随传播时间和距离发生波幅衰减及相位偏移的问题,提出一套可用于多周期稳定造波的参数设计方法。[方法]基于Navier-Stokes方程和流体体积(VOF)方法进行五阶Stokes波数值模拟,通过对一维波动方程的离散形式进行分析,研究几个重要参数对造波效果的影响。最后,应用所提参数设计方法对KCS船型在迎浪中的阻力和运动响应进行三维数值计算,并与模型实验结果进行比较。[结果]结果表明,将内迭代次数、网格分辨率、库朗数等参数按照一定规则设置,20个波周期内的波幅误差约5%,40个波周期的约10%。对KCS船型进行的三维数值计算结果与模型实验结果相比误差约10%。[结论]经此研究,验证了所提方法的可行性。

关键词：数值造波 Navier-Stokes方程流体体积方法 KCS 波浪增阻

自由界面问题的拉格朗日粒子和流体体积耦合算法

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东北大学学报（自然科学版） 2021年第9期42卷 1254-1260页

作者：高普阳长安大学理学院陕西西安710064

针对自由界面问题,构建了拉格朗日粒子和流体体积(volume of fluid,VOF)耦合算法.拉格朗日粒子方法可以准确追踪运动界面,但是一般很难保证流体的质量守恒性.VOF方法可以保证很好的质量守恒性,但是不容易计算界面的几何信息.因此,本文... 详细信息

针对自由界面问题,构建了拉格朗日粒子和流体体积(volume of fluid,VOF)耦合算法.拉格朗日粒子方法可以准确追踪运动界面,但是一般很难保证流体的质量守恒性.VOF方法可以保证很好的质量守恒性,但是不容易计算界面的几何信息.因此,本文构造了一种耦合算法,吸收两种方法的优点.耦合算法中还引入了四叉树自适应网格技术,可以在大变形区域提高界面的分辨率,并能减少计算量.利用耦合算法模拟经典的Zalesak旋转盘问题和单涡剪切流动,数值结果和文献已有结果吻合较好,验证了耦合算法的稳定性、有效性和准确性.

关键词：拉格朗日粒子方法流体体积方法自由界面问题四叉树自适应网格 Zalesak旋转盘单涡剪切流

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柴油机喷油器喷孔积碳对喷雾影响研究

兵工学报 2017年第2期38卷 218-226页

作者：王宪成赵文柱和穆杨绍卿徐冬冬装甲兵工程学院机械工程系北京100072

在定容弹中进行了柴油机喷油器冷态喷雾特性试验,对比分析了积碳喷油器和新喷油器在不同喷射条件下的喷雾贯穿距和喷雾锥角。试验结果表明:喷油器喷孔积碳后,喷雾贯穿距和喷雾锥角减小,喷射初期差距较大,喷射后期差距缩小;喷射压力越大... 详细信息

在定容弹中进行了柴油机喷油器冷态喷雾特性试验,对比分析了积碳喷油器和新喷油器在不同喷射条件下的喷雾贯穿距和喷雾锥角。试验结果表明:喷油器喷孔积碳后,喷雾贯穿距和喷雾锥角减小,喷射初期差距较大,喷射后期差距缩小;喷射压力越大,喷雾贯穿距和喷雾锥角下降越明显。利用光学显微镜观察喷孔出口积碳发现,喷孔出口积碳分布在喷孔外沿,改变了原有的出口结构。利用流体体积方法,对喷孔内部流动进行数值仿真计算,分析了孔内积碳、出口积碳以及喷孔增长对喷孔内部流动的影响。计算结果表明:孔内积碳、出口积碳、喷孔增长导致喷孔内部空化效应减弱,出口质量流量、速度、湍动能下降,油束雾化质量变差,出口积碳影响作用更大。

关键词：动力机械工程喷孔积碳喷雾特性内部流动流体体积方法

不同驱动力对熔池表面变形行为影响的数值模拟

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焊接学报 2016年第8期37卷 45-49,131页

作者：黄勇李慧王新鑫姚宇航兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

基于流体动力学方程,采用焓-孔隙度法来处理液-固相变,采用VOF方法追踪熔池自由表面变形,建立了固定电弧下的三维瞬态TIG焊熔池数学模型,求解获得了在浮力、Marangoni力、电磁力和电弧压力单独作用时的熔池表面变形行为及其温度场与速... 详细信息

基于流体动力学方程,采用焓-孔隙度法来处理液-固相变,采用VOF方法追踪熔池自由表面变形,建立了固定电弧下的三维瞬态TIG焊熔池数学模型,求解获得了在浮力、Marangoni力、电磁力和电弧压力单独作用时的熔池表面变形行为及其温度场与速度场的分布.模拟结果表明,在大电流(I≥250 A)时,在浮力、表面张力温度系数为正时的Marangoni力、电磁力单独作用于熔池上表面将会产生凸起变形,在电弧压力、表面张力温度系数为负时的Marangoni力单独作用下,熔池上表面将会产生凹陷变形.在大电流下,TIG焊和活性TIG焊熔池均产生凹陷变形.TIG焊熔池的中心区域形成向内的涡流,边缘部位形成向外的涡流,而活性TIG熔池在熔池中心和熔池边缘则分别形成两种成因不同的内向涡流.熔池表面变形量并不是各个驱动力作用的简单叠加.

关键词：流体体积方法驱动力表面变形熔池

滑片泵进出口压力对其内流特性影响的数值模拟

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兵工学报 2014年第8期35卷 1223-1229页

作者：张群峰闫盼盼单建平何万发北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中航工业哈尔滨东安发动机集团有限公司黑龙江哈尔滨150066

为了研究滑片泵进、出口压力对其内流特性的影响,采用计算流体力学软件Star-cd对某一航空发动机的滑油泵内部流场进行了数值模拟,利用Star-cd用户子程序功能调用自编程序,实现滑片泵运动区域的网格重构和叶片与定子间隙的网格生成,空化... 详细信息

为了研究滑片泵进、出口压力对其内流特性的影响,采用计算流体力学软件Star-cd对某一航空发动机的滑油泵内部流场进行了数值模拟,利用Star-cd用户子程序功能调用自编程序,实现滑片泵运动区域的网格重构和叶片与定子间隙的网格生成,空化模型选择Rayleigh模型,湍流模型选择Menter SST k-ω模型,计算得到了滑片泵在不同进、出口压力状态下的流量。对计算结果分析表明:滑片泵在工作过程中,瞬态进口流量波动较小,而出口流量有较大的波动;进口压力增加,空化区域减小,流量明显增加;出口压力增加,从压油区回流到封油区的流量增加,空化的溃灭速率增大,使得流量减少,但减小幅度不大。计算结果为滑片泵的优化设计提供了参考依据。

关键词：流体力学滑片泵数值模拟流体体积方法空化模型湍流模型

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液滴与水平壁面碰撞力的数值研究

西安交通大学学报 2013年第9期47卷 23-27页

作者：张彬韩强袁小芳李景银西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为探究叶轮机械内部液滴与固壁之间碰撞引起的壁面磨损破坏的机理,采用流体体积方法,数值研究液滴直径、碰撞速度和液滴与壁面之间的接触角对液滴与壁面碰撞的瞬态碰撞力发展变化的影响。研究结果表明,液滴与壁面之间的接触角对液滴碰... 详细信息

为探究叶轮机械内部液滴与固壁之间碰撞引起的壁面磨损破坏的机理,采用流体体积方法,数值研究液滴直径、碰撞速度和液滴与壁面之间的接触角对液滴与壁面碰撞的瞬态碰撞力发展变化的影响。研究结果表明,液滴与壁面之间的接触角对液滴碰撞过程中的碰撞力几乎没有影响,但对于不同雷诺数和韦伯数下的液滴,其与静止壁面的碰撞力按液滴直径的2.118次方和速度的1.761次方正则化后,碰撞力的无量纲时间曲线基本重合,且碰撞力峰值出现的无量纲时刻为0.26,即同样直径的液滴,碰撞速度越大,到达碰撞力峰值所用时间越短,对同样速度的液滴,液滴直径越大,则液滴到达碰撞力峰值所用时间越长。

关键词：流体体积方法碰撞力数值模拟碰撞参数

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有限水层对物体运动影响的数值计算研究

导弹与航天运载技术 2018年第1期 12-17页

作者：张耐民裴金亮赵阳尤天庆刘元清哈尔滨工业大学哈尔滨150001 北京宇航系统工程研究所北京100076

穿越自由液面过程中航行体表面携带的附着水层会对分离物体受力及分离运动产生重要影响。首先采用流体体积方法(Volume of Fluid,VOF)建立了圆柱运动的刚体动力学方程和气液两相流动N-S方程的耦合求解模型,基于试验数据验证了算法的准... 详细信息

穿越自由液面过程中航行体表面携带的附着水层会对分离物体受力及分离运动产生重要影响。首先采用流体体积方法(Volume of Fluid,VOF)建立了圆柱运动的刚体动力学方程和气液两相流动N-S方程的耦合求解模型,基于试验数据验证了算法的准确性。在此基础上,开展了不同外形物体穿越有限水层的计算分析。研究了不同形状、结构质量、运动形式、水层厚度等因素对物体穿越有限水层的受力情况和运动变化规律。

关键词：附着水层流体体积方法 N-S 方程航行体

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水滴在气流中变形破碎过程的数值模拟研究

上海交通大学学报 2024年第4期58卷 419-427页

作者：桑旭金哲岩杨志刚余放同济大学航空航天与力学学院上海200092 上海市地面交通工具空气动力学与热环境模拟重点实验室上海201804 同济大学机械与能源工程学院上海201804 中国航发商用航空发动机有限责任公司上海201108

针对水滴在结冰风洞实验中加速过程内易发生破碎而导致试验段内水滴粒径分布难以符合结冰气象条件的问题,利用流体体积(VOF)方法,模拟了直径为100、200、400、600、800、1000μm以及1200μm的水滴在不同气流速度作用下(20、50、80 m/s)... 详细信息

针对水滴在结冰风洞实验中加速过程内易发生破碎而导致试验段内水滴粒径分布难以符合结冰气象条件的问题,利用流体体积(VOF)方法,模拟了直径为100、200、400、600、800、1000μm以及1200μm的水滴在不同气流速度作用下(20、50、80 m/s)的变形破碎情况.结果表明:在20 m/s气流作用下,直径为600μm的水滴不发生破碎;当风速为50 m/s时,直径为100μm的水滴不发生破碎;随着韦伯数增加,最大不稳定波波长也随之增大,水滴的破碎模式从袋状破碎变为包-蕊状破碎,随后转变为蕊-层状破碎,进一步转变为剪切破碎.水滴的破碎形式包括袋状破碎、包-蕊状破碎、蕊-层状破碎及剪切破碎,会对面积最大的液滴与初始液滴面积之比有较大影响.在初始水滴直径相同的条件下,入口速度越大,破碎后的面积比越大.

关键词：过冷大水滴变形破碎气液两相流流体体积方法