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基于openfoam的VOF-DDM模型对雾化现象的研究

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基于OpenFOAM的VOF-DDM模型对雾化现象的研究

作者：丁群哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

以液体燃料为动力装置的设备在航空航天领域中有着广泛的应用,如超燃冲压发动机、航空发动机燃烧室、液体火箭发动机等。液体为燃料的航空航天发动机以其独特的优势,无论在民用还是军事国防领域都有着重要的地位。而液体燃料的雾化则成... 详细信息

以液体燃料为动力装置的设备在航空航天领域中有着广泛的应用,如超燃冲压发动机、航空发动机燃烧室、液体火箭发动机等。液体为燃料的航空航天发动机以其独特的优势,无论在民用还是军事国防领域都有着重要的地位。而液体燃料的雾化则成为发动机中非常重要的环节,液体燃料雾化效果的好坏不仅直接影响动力装置的性能,也会影响到发动装置的可靠性。因此对雾化的研究是十分必要的。首先,本文回顾并归纳了国内外学者对雾化现象的数值模拟方法,由于雾化是一个跨尺度的物理过程,传统的数值模拟方法通常采用VOF（Volume-Of-Fluid）法和DDM（The Discrete Droplet Model）法对不同尺度的雾化现象分别进行模拟。由于两种不同的算法存在各自的优缺点,近年来,采用耦合模型对雾化的数值模拟方法正逐渐被广大学者所开发。本文基于openfoam开源软件平台,以VOF方法和DDM方法为理论依据,开发了适用于多尺度雾化的VOF-DDM模型求解器,并详细介绍了该模型的耦合算法,分析了该模型中的关键参数及其选取。对比了两种传统模型与VOF-DDM模型在雾化方面的数值模拟效果,从计算结果来看,VOF-DDM模型兼备了两者的优点,摒弃了两者的缺点,拥有更好的模拟效果。为了验证VOF-DDM模型的适用性,本文将对2007年***和***的雾化实验进行数值模拟,从计算结果来看与实验符合较好,能够较清晰地对雾化跨尺度现象进行描述,说明了VOF-DDM模型的准确性。为了增强对撞式喷嘴的雾化效果,本文对该类型喷嘴进行了多组工况的数值模拟,对影响雾化效果的因素进行了分析,并给出了相应结论。

关键词：雾化数值模拟 openfoam VOF DDM

基于openfoam的河流入海口水动力关系研究

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基于OpenFOAM的河流入海口水动力关系研究

作者：范世炜浙江师范大学

学位级别：硕士

河流入海口是一个与广袤的海洋自由沟通且局部封闭的沿海水体,是江河汇入大海、从陆地到海洋、从淡水到咸水的过渡地带。受携带有大量泥沙的径流和潮汐等自然因素的影响形成的河口湾是世界上最具生产力的自然栖息地之一。因而许多有着... 详细信息

河流入海口是一个与广袤的海洋自由沟通且局部封闭的沿海水体,是江河汇入大海、从陆地到海洋、从淡水到咸水的过渡地带。受携带有大量泥沙的径流和潮汐等自然因素的影响形成的河口湾是世界上最具生产力的自然栖息地之一。因而许多有着河流入海口的海岸成为了人类居住最密集的地方,关于河流入海口的水动力机理的研究也成为人们最为关注的研究之一。由于河流入海口独有的河流与海洋交汇的环境,其底床泥沙会对波浪产生的重要影响,所以研究水流和泥沙的相互作用也成为了入海口地区港口与航道工程十分关心的问题。自由表面这个问题与船舶行驶的快速性、稳定性和操纵性等密切相关,通过自由表面的数值模拟,可以更好地把握水流运动特性,为船体等结构的设计提供一定的理论指导,同时也能增强水利工程的可靠性和稳定性。河流从上游到下游,在整个连续的流动过程中任何一处都在进行着搬运与沉积的过程,到达入海口时,在海洋动力作用下速度骤然下降,搬运的泥沙等会在河口附近沉积形成三角洲,这也是海岸工程和环境研究等需要考虑的问题。openfoam是计算流体力学的一个开源软件包,与大多数商业软件一样,分为三个模块：前处理、求解器、后处理。采用有限体积法来求解偏微分方程,并根据C++运算符重载的特点,编译后代码为微积分方程的描述上大为简化,在描述物理问题时更加自然。作为一个开放源代码的软件包,openfoam已经预编译了许多求解器、应用工具和模型等,大大提高了效率和用户程序的可延续性。所以本文采用openfoam来求解河流入海口的水动力问题。基于CFD的开源程序库openfoam中的interFoam求解器,研究了一个三维河床两相自由表面流的数值模型。运用了大波模拟(LES)的湍流模型并使用了流体体积法(VOF)来追踪自由表面。为了研究与预测入海口处夹缝沉积形成有关的入海口的流动模式,主要研究了关于雷诺数和河床斜面的影响。观察到相同的雷诺数情况下,斜坡越长,自由表面波动越剧烈,含氧率也跟着提高;相同斜坡长度时,雷诺数越大,自由表面波动越剧烈,含氧率相应提高。基于openfoam的interMixingfoam求解器构建了一个多相流模型,对河流入海口后泥质海岸线上水体在泥质海床上的传播进行了数值研究,同时对底泥在海床上的传播也进行了研究。通过改变底泥粘度、底泥密度和河流进口的速度,研究了不同特征参数的底泥对水体与底泥在泥床上变化的影响,重点关注了水体的流动的形态、对应的水泥界面响应在其中所起的作用。本文旨在构建一个可适用于一般情况的水体与泥质海床相互作用问题的数值模型,用于观察不同性质底泥和不同入海口流量带来的影响。研究表明,在不同的泥质情况下混泥水运动衰减程度随着底泥由软变硬而先增大后减小,其中较硬泥对于流体的衰减作用最大。在不同河水进口速度时河水进口速度与底泥进口速度越大,引起的泥水混合越加剧烈,导致底泥被托抬。

关键词： openfoam 入海口多相流自由表面两相界面

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基于openfoam的月池共振问题研究

基于OpenFOAM的月池共振问题研究

作者：田康上海交通大学

学位级别：硕士

月池共振问题是船舶与海洋工程中一类非常重要的问题。该研究基于openfoam,对圆形三维月池波浪作用产生的月池共振、月池结构垂向振荡所产生的月池共振两种情况进行了研究。波浪作用产生的月池共振本质属于波浪结构物相互作用问题,该研... 详细信息

月池共振问题是船舶与海洋工程中一类非常重要的问题。该研究基于openfoam,对圆形三维月池波浪作用产生的月池共振、月池结构垂向振荡所产生的月池共振两种情况进行了研究。波浪作用产生的月池共振本质属于波浪结构物相互作用问题,该研究对openfoam中内置的InterIsoFoam求解器和Waves2Foam求解器进行融合,并引入k-ωSST、浮力修正k-ωSST和稳定化k-ω湍流模型,形成新型的数值波浪水池,对此类问题进行研究。InterIsoFoam求解器中包含了一种新的几何VOF方法-isoAdvector方法-对自由液面捕捉,该研究使用几何VOF方法对三维Stokes波浪进行模拟,并将模拟结果与代数VOF方法进行比较,发现几何VOF方法能够更准确地对波浪进行模拟。Waves2Foam求解器包含松弛区方法,松弛区方法可以用于消波。在波浪模拟研究中发现,大于2倍波长的消波区长度配合指数权重分布可以达到最好的消波效果。为了进一步验证新型数值水池在波浪结构物问题研究中的应用,对圆柱波浪爬升问题进行了数值模拟分析,发现CFD结果与实验结果吻合良好,说明新型数值水池能够很好地对圆柱波浪爬升进行模拟。此外,由于引入的松弛区方法缩小了 CFD计算区域,有效降低了由于波浪长距离传播导致的波浪衰减问题。在研究由于波浪作用产生的月池共振问题时,即月池绕射问题,波浪诱导月池内部水域产生了活塞运动,月池外表面周围波高呈现xi轴方向大、xj轴方向小的分布形式;立柱在xi轴方向的受到的作用力最大,其次是xk轴方向,xj轴方向的作用力可以忽略不计;月池内部波浪运动在当波浪圆频率（f≈ 0.615Hz）与月池固有频率（包括月池内部的水域）相同时,波浪运动幅度最大,且观察到由于流体粘性产生涡量导致的波浪运动幅值低于线性势流理论结果的现象。在研究由于月池垂向振荡导致的月池共振时,即月池辐射问题,同样发现了当垂荡频率（f≈0.615Hz）等于月池固有频率时的波浪运动幅度最大的情况;月池吃水的变化会影响月池的固有频率,因为月池固有频率由月池结构和内部水域共同决定,不同的吃水意味着内部水域的体积不同;此外,月池垂荡幅值越大,无量纲月池中心波高η/Am越小。

关键词： openfoam 几何VOF 松弛区方法三维月池共振

CFD计算软件openfoam在Wigley船模水动力特性分析的应用

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舰船科学技术 2020年第16期42卷 25-27页

作者：李玉君四川托普信息技术职业学院

随着船舶制造行业市场竞争的日益激烈,大型船舶制造企业要想在激烈的竞争中占据有利地位,必须提高舰船设计与制造水平。舰船的水动力特性直接决定了舰船的摩擦阻力和动力学性能,提高舰船的水动力特性具有深远的意义。本文研究对象是国... 详细信息

随着船舶制造行业市场竞争的日益激烈,大型船舶制造企业要想在激烈的竞争中占据有利地位,必须提高舰船设计与制造水平。舰船的水动力特性直接决定了舰船的摩擦阻力和动力学性能,提高舰船的水动力特性具有深远的意义。本文研究对象是国际船舶领域通用的Wigley船型,结合计算流体力学分析软件Open FOAM,对Wigley船型的流体动力学特性进行了系统分析,有助于提高Wigley船型的流体动力学性能。

关键词： CFD openfoam 流体动力学性能仿真

基于openfoam对挑流水气两相流模型试验水动力特性的数值研究

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基于OpenFOAM对挑流水气两相流模型试验水动力特性的数值研究

作者：黄旭中太原理工大学

学位级别：硕士

在实际运行的水利工程中,挑流消能被广泛运用。对挑流的各研究方向中,水气两相流水动力特性至今仍是研究重点,其中对挑流射程、湍动能强度等水动力要素的计算,对水利工程布设,对冲刷范围冲刷坑特性的研究具有重要意义。本文基于数值模... 详细信息

在实际运行的水利工程中,挑流消能被广泛运用。对挑流的各研究方向中,水气两相流水动力特性至今仍是研究重点,其中对挑流射程、湍动能强度等水动力要素的计算,对水利工程布设,对冲刷范围冲刷坑特性的研究具有重要意义。本文基于数值模拟软件openfoam对挑流两相流的水动力特性进行数值模拟,其基本思路为:首先做物理试验,测量水舌挑流射程这一参数;然后构建渠道挑流数学模型,检测模型网格划分质量并优化网格划分方案;之后将三种常用的湍流模型(标准k-ε模型、k-ω模型和k-ω SST模型)的射程模拟结果与物理试验实测数据相比较,这样做既验证了数值模拟的准确性,又优化了模拟对湍流模型的选择方案;最后,本文基于合理的网格划分和湍流模型选择方案,对挑流两相流数值模拟结果在水舌断面流速、能量损失率、渠底流速场压力场和湍动能值等方面,进行了量化的水动力特性分析。此外,本文在第4章中分析了网格细化和边界层细化对数值模拟结果的影响。在第5章第1节中还将实测的挑流射程数据与两种不同经验公式计算出的挑流射程数据进行比较,分析了两组经验公式的不同和各自的优劣。通过模型试验可以看出,水流经挑坎挑起后跌落,在跌入下游水体处形成剧烈水气混摻现象。在对数值模拟结果的分析和比较中,本文得出以下结论:在网格划分方面,合理地设置边界层细化可以显著地提高数值模拟结果的准确度,因此它能得到更好的网格划分方案;在湍流模型选择方面,相较于标准k-ε模型和k-ω模型,k-ωSST模型被证实更适合本文中挑流两相流的数值模拟;在经验公式计算水舌挑流射程方面,若不考虑空气阻力、边壁摩擦力和水颗粒运动等因素,理想化的射程计算值会比物理试验实测值大31%左右,这说明了在预测水体运动时考虑各种阻力因素的重要性;在对水舌和渠道水体进行水动力特性分析方面,本文将空中段水舌按形态依次分为初始段、过渡段、分裂段和破碎段,并对其进行了相应描述。水舌在空中运动时,随着水舌挑距的逐渐增加,中心流速与边界处速度的差距逐渐增大,断面流速逐渐呈现出对称分布的规律,水舌断面平均流速在最高点后侧达到流速最小;对水舌空中段能量损失率η的研究结果表明,能量损失率η并是不变的常数,它会随着水舌射程的增加而不断增大;此外,渠底流速滞点约为距挑坎20.52cm的下游侧,此后下游渠道断面流速曲线由不规则曲线逐步向对数曲线过渡;通过对渠底沿程压强曲线的绘制,本文找到了下游渠底最大压强点位置,其位于距挑坎21cm的下游侧,值为538.7pa,该位置上渠底脉动压强随时间逐渐减小,分析原因是由于水垫对渠底压强的变化具有一定的削弱;最后本文研究了下游渠底沿程湍动能的变化,其变化曲线表明,渠底湍动能沿程先增大后稳定再减小,该变化规律反映了渠底冲刷最为严重的区域范围,而这里正是在工程实际中需要重点防护部分。本文将物模试验与数值模拟相结合,通过本文可以看出,研究挑流射程需要考虑水气两相流,本文构建的两相流模型可以准确地数值模拟渠道挑流问题。这对此类工程实际具有一定的指导意义。

关键词：水动力特性挑流两相流 openfoam 数值研究

基于openfoam的水声传播模拟平台开发与验证

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基于OpenFOAM的水声传播模拟平台开发与验证

作者：吉虹宇国防科学技术大学

学位级别：硕士

水声传播现象的研究跨多个学科领域,其成果在诸多工程应用场景中有重要指导意义。随着高性能计算技术的快速发展,数值模拟方法已经成为一类重要的水声传播问题研究手段。而为了实现水声传播问题的并行模拟,仍需克服若干困难,包括数值模... 详细信息

水声传播现象的研究跨多个学科领域,其成果在诸多工程应用场景中有重要指导意义。随着高性能计算技术的快速发展,数值模拟方法已经成为一类重要的水声传播问题研究手段。而为了实现水声传播问题的并行模拟,仍需克服若干困难,包括数值模拟的技术路线选择与架构设计,并行数值模拟平台和相应的辅助分析工具的开发等。本文围绕以上问题对水声传播数值模拟的关键技术展开研究,主要工作内容和创新可以总结如下:1.基于有限体积法设计了水声传播问题的直接数值模拟架构。(第2章)本文基于有限体积法时域直接数值模拟技术路线,对水声传播模拟的问题构成、有限体积法数值模拟的关键技术展开深入分析,以此为基础对基于有限体积法水声传播直接数值模拟的计算复杂度,即可行性展开研究,并设计了该类水声传播直接数值模拟的平台总体架构。该架构结合了有限体积法的一般方法与水声传播问题的特殊需求,具有充分的实现可行性,为设计模拟平台提供了基础。2.基于Open FOAM设计实现了水声传播数值模拟平台。(第3章)在基于有限体积法水声传播直接数值模拟架构设计的基础上,本文基于面向领域的并行应用框架Open FOAM,结合水声问题数值求解的流程与特点,设计了基于Open FOAM的水声传播数值模拟平台总体结构;在给出平台模块组成与功能、相关关键技术详细描述的基础上,重点设计实现了基于领域专用语言的水声传播求解器和水声传播专有吸收边界条件。以美国声学学会理想楔形波导水声传播标准问题为测试用例,实验验证了所设计模拟平台、核心求解器及吸收边界条件的有效性。3.设计实现了内嵌于水声传播模拟平台的频谱分析工具。(第4章)针对水声问题重点以频谱分析为主的领域背景,首先基于传统后处理方法设计实现了水声传播数值模拟平台的频谱采样及分析基本功能。并以此为基础,进一步将后处理频谱分析功能内嵌于水声传播模拟平台数值计算过程的尾部,实现了包括样本数据组织、时域采样模块和时-频转换处理模块等的内嵌式频谱分析工具,以改进频谱分析的易用性和高效性。实验结果表明相关方法与工具构建正确,且其应用有效改进了模拟平台的频谱分析功能。

关键词：水声传播有限体积法数值模拟频谱分析 openfoam

基于openfoam的流固耦合数值方法研究

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基于OpenFoam的流固耦合数值方法研究

作者：葛佳斌浙江大学

学位级别：硕士

流固耦合现象厂泛的存在于航空航天、叶轮机械、土木工程、石油化工、清洁能源等诸多领域。近些年来流固耦合及其他多物理场耦合问题的计算模拟受到了广泛的关注。而流固耦合问题形形色色、种类丰富,采用分离法对其进行计算模拟越来越... 详细信息

流固耦合现象厂泛的存在于航空航天、叶轮机械、土木工程、石油化工、清洁能源等诸多领域。近些年来流固耦合及其他多物理场耦合问题的计算模拟受到了广泛的关注。而流固耦合问题形形色色、种类丰富,采用分离法对其进行计算模拟越来越成为当今主流趋势。IQN-ILS算法是一种隐式的流固耦合算法,属于分离法范畴。与传统的不动点迭代算法相比,其在收敛速度上有明显优势。但在某些流固耦合问题中,例如管道流动问题,该算法不能完全保证计算的稳定性。针对这种情况,提出了将松弛因子引入IQN-ILS算法和混合使用Aitken和IQN-ILS的两种改进算法。在流固耦合求解器方面首先在有限体积法开源C++类库openfoam原有求解器基础上进行编程开发,添加了IQN-ILS耦合算法代码,实现了IQN-ILS算法的求解器;其次根据提出的两种改进算法,开发了基于IQN-ILS两种新的流固耦合求解器,具体耦合算法部分的程序开发过程分为python和C++两个版本。此外本文还开发了可模拟存在自由液面流固耦合问题的新求解器。然后通过标准验证算例验证了所开发求解器的有效性。并运用二维算例,比较了不同耦合算法的收敛速度。最终将改进算法应用到三维管道流动算例中。算例结果表明,与原有IQN-ILS算法比较,提出的改进算法起到了提高计算稳定性的目的,取得了很好的效果。

关键词：流固耦合 IQN-ILS算法 openfoam Aitken算法改进算法

基于openfoam的空化模型参数适配研究

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基于OpenFOAM的空化模型参数适配研究

作者：金玮国防科技大学

学位级别：硕士

随着计算机技术的飞速发展,CFD方法成为目前研究空化流动的最主要方法之一。在空化流动数值模拟中,空化模型的参数影响模拟结果的准确性。现有的空化模型参数优化方法仅能获得适用于个别工况的固定参数值,并不能适应所有工况的需要。本... 详细信息

随着计算机技术的飞速发展,CFD方法成为目前研究空化流动的最主要方法之一。在空化流动数值模拟中,空化模型的参数影响模拟结果的准确性。现有的空化模型参数优化方法仅能获得适用于个别工况的固定参数值,并不能适应所有工况的需要。本文考虑空化模型最优参数与工况间的潜在关系,开展了空化模型参数适配研究,主要研究内容和成果如下:首次给出了空化模型参数适配问题及解决方案的定义和形式化描述,考虑了最优参数和工况的潜在关系,提出了基于径向基函数网络的空化模型参数适配方法。采用模块化思想,基于openfoam开发了空化模型参数适配平台,平台具有横向和纵向上的并行性,充分利用了多处理机系统的强大计算能力。针对稳态绕二维NACA66(MOD)水翼空化流动问题开展了基于Zwart空化模型的参数适配实验。在全湿流条件下进行了网格无关性验证,排除了网格精度对模拟结果的影响。参数适配结果表明,默认参数和Morgut调优参数具有相近的精度,预测参数相比于默认参数和Morgut调优参数,精度提高了35%以上,表明该方法能有效解决Zwart空化模型参数适配问题。

关键词：空化模型 CFD模拟 openfoam 参数适配

基于openfoam的格子Boltzmann通量求解器研究

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基于OpenFOAM的格子Boltzmann通量求解器研究

作者：吴齐峰南京航空航天大学

学位级别：硕士

目前,CFD(Computational Fluid Dynamics)数值方法主要有两大类:N-S方程(Navier-Stokes Equation)求解器和LBE(Lattice Boltzmann Equation)求解器,它们分别基于宏观守恒定律和介观统计物理理论。理论背景的不同,导致这两种求解器各具优缺点。N-S方程求解器能够应用多种格式对N-S方程中时间项与空间项进行离散,并且可以有效地在多块网格、自适应网格和结构与非结构的贴体网格上进行数值模拟,因此N-S方程方法非常适合模拟具有复杂几何外形的流动。但由于其中压力项和速度项存在耦合,使得方程求解变得复杂。LBE求解器具有清晰的物理背景,它编程简单、易并行,不需要求解复杂的导数项。但它只能在均匀直角网格上进行计算,时间步长受限于网格大小,边界条件处理也需要对宏观量和分布函数进行复杂的转换。本文基于开源计算软件包openfoam平台实现了用于求解不可压缩等温流动、不可压缩热流动以及可压缩流动的LBFS(Lattice Boltzmann Flux Solver)。首先,本文实现了不可压缩LBFS以及热LBFS。LBFS通过有限体积法离散从LBE恢复出的控制方程,采用常用的时间推进格式对方程进行求解。LBFS通过对局部LBE解的重构可以同时计算出单元交界面的无粘通量和粘性通量。在搭建的CFD平台上,我们采用LBFS对二维和三维的不可压缩流动问题进行了求解,数值结果表明LBFS能够克服LBE求解器的缺点:如受限于均匀网格、时间步长与网格大小的耦合以及边界条件实施较为复杂。同时LBFS结合了N-S求解器的优点,可以在任意的非结构网格下对不可压缩流动以及热流动进行求解。为了进一步拓展不可压缩LBFS的求解范围,本文通过结合LBFS和湍流模型来模拟高雷诺数湍流流动,并用于研究翼型的空气动力学特性。接下来本文实现了可压缩LBFS。在可压缩LBFS中,宏观N-S方程通过有限体积法来实现离散,而方程的无粘通量则是通过对一维格子Boltzmann模型的解的重构来计算,粘性通量仍采用传统中心差分来求得。在无粘通量的计算时,分布函数的非平衡部分对通量的贡献被当作人工粘性,通过引入一个取值为0到1的开关函数来控制人工粘性的权重。通过数值算例证明,可压缩LBFS可以准确捕捉激波间断并且具有模拟复杂几何外形可压缩外流场的能力。综上所述,本文基于openfoam所搭建的CFD平台成功实现了LBFS的重构,并且能够有效而准确地对不可压缩以及可压缩流动进行数值模拟。

关键词：格子Boltzmann方法通量求解器不可压缩流动可压缩流动 openfoam