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voset方法计算膜态沸腾的不同流态

工程热物理学报 2014年第11期35卷 2240-2243页

作者：凌空陶文铨西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室西安710049

本文在voset界面捕捉方法的基础上对控制方程进行修正,使其能够计算带相变的两相流问题,然后用这种方法计算水平壁面上的膜态沸腾。模拟得到的平均Nu数与Klimenko的关联式的计算结果基本一致。计算结果表明,在较低的壁面过热度下,膜态... 详细信息

本文在voset界面捕捉方法的基础上对控制方程进行修正,使其能够计算带相变的两相流问题,然后用这种方法计算水平壁面上的膜态沸腾。模拟得到的平均Nu数与Klimenko的关联式的计算结果基本一致。计算结果表明,在较低的壁面过热度下,膜态沸腾呈现气泡状流动;在较高的壁面过热度下,膜态沸腾呈现气带状流动。

关键词： voset 膜态沸腾数值计算

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基于非结构化voset方法的沸腾传热

科学通报 2020年第17期65卷 1723-1733页

作者：曹志柱孙东亮魏进家宇波西安交通大学化学工程与技术学院西安710049 北京石油化工学院机械工程学院北京102617 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

将非结构化voset方法推广至求解气液界面存在相变的流动传热问题.为准确计算界面两侧因相变导致的能量跳跃,给出了含界面非结构网格控制单元温度的计算方法,并对非界面网格温度场采用隐式求解以提高计算精度.为验证所构建相变模型的正确... 详细信息

将非结构化voset方法推广至求解气液界面存在相变的流动传热问题.为准确计算界面两侧因相变导致的能量跳跃,给出了含界面非结构网格控制单元温度的计算方法,并对非界面网格温度场采用隐式求解以提高计算精度.为验证所构建相变模型的正确性,编写程序分别模拟了恒壁面过热度和恒热流密度两种边界条件下的水平表面膜态沸腾,计算结果与Klimenko经验关联式吻合良好.通过圆弧表面膜态沸腾问题,验证了本文基于带相变非结构voset方法对不规则区域沸腾相变问题的适用性.通过模拟近临界压力水的膜态沸腾问题,并与Berenson和Klimenko经验关联式对比,验证了本文方法对实际沸腾问题的适用性.

关键词：相变 voset 膜态沸腾非结构化网格

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基于voset方法的高温金属熔池演化研究

工程热物理学报 2019年第10期40卷 2423-2431页

作者：卞庆飞凌空杨东戴仁坤曾敏王秋旺西安交通大学热流科学教育部重点实验室西安710049 西安交通大学快速制造国家工程研究中心西安710049

增材制造过程熔池的演化研究是当前热点之一,但数值研究过程中通常存在由于模型简化过多或模型界面追踪不精确所导致的结果预测精度较低的问题。为了改善上述问题,本研究引入voset界面追踪方法并基于其建立了完整的金属熔池数值模型,同... 详细信息

增材制造过程熔池的演化研究是当前热点之一,但数值研究过程中通常存在由于模型简化过多或模型界面追踪不精确所导致的结果预测精度较低的问题。为了改善上述问题,本研究引入voset界面追踪方法并基于其建立了完整的金属熔池数值模型,同时通过激光热源加热铜板的实验验证模型正确性,最后在此基础上揭示了金属熔池的基本演化过程并分析其形成的原因。主要结论如下:激光沉积金属表面后,急剧上升温度梯度诱发切向马尔戈尼对流,对流作用快速增强并主导熔池演化,自由液面变形和熔池尺寸快速增大;受到水平物质输运的作用,熔池的切向演化相较于法向更加剧烈;熔池演化一段时间后会进入准稳态过程,此时其演化过程逐渐趋于平缓。

关键词：金属熔池 voset 增材制造自由界面演化特性

基于voset的黏弹性气液两相湍流直接数值模拟

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工程热物理学报 2019年第4期40卷 821-828页

作者：王艺程哲薛文第宇波中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室北京102249 北京石油化工学院机械工程学院北京102617

本文将相界面追踪高效方法voset与黏弹性减阻流体Giesekus本构关系相结合,建立了黏弹性气液两相流动的控制方程.研究发现减阻剂的存在使得计算稳定性相对于无减阻剂情况大幅下降,主要原因为相界面处引入了较大的黏弹性应变梯度,加剧了... 详细信息

本文将相界面追踪高效方法voset与黏弹性减阻流体Giesekus本构关系相结合,建立了黏弹性气液两相流动的控制方程.研究发现减阻剂的存在使得计算稳定性相对于无减阻剂情况大幅下降,主要原因为相界面处引入了较大的黏弹性应变梯度,加剧了本构方程求解的不稳定性,使得可计算的顶盖拖动速度限制在1～2 m·s^(-1)的狭小范围内,影响了对黏弹性气液两相湍流特征的研究。通过用光滑的Heaviside函数对相界面附近的黏弹性应变进行插值,有效增强了数值稳定性,将可计算的顶盖拖动速度范围扩展至50 m·s^(-1)。采用改进后的方法在较宽的雷诺数范围进行了直接数值模拟,确认了减阻剂较大地抑制了液相湍流脉动,从而对气液两相湍流流动起到减阻作用,加剂后液相的平均流速增大约37%～86%。

关键词：黏弹性气液两相流湍流 voset 直接数值模拟

复杂两相流中界面追踪方法——voset的性能分析

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化工学报 2011年第6期62卷 1524-1530页

作者：叶政钦刘启鹏李星红杨兴利孙东亮西南石油大学石油工程学院四川成都637001 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 延长油田股份有限公司甘谷驿采油厂陕西延安716005 华北电力大学可再生能源学院北京102206

界面追踪方法——voset(coupled Volume-of-Fluid and Level Set method)结合了VOF和Level Set两种方法的优点,克服了这两种方法的缺点。voset方法采用VOF方法捕捉两相间的界面,保持了两相间的质量守恒,克服了Level Set方法质量不守恒... 详细信息

界面追踪方法——voset(coupled Volume-of-Fluid and Level Set method)结合了VOF和Level Set两种方法的优点,克服了这两种方法的缺点。voset方法采用VOF方法捕捉两相间的界面,保持了两相间的质量守恒,克服了Level Set方法质量不守恒的缺点;利用几何计算方法计算界面附近的Level Set函数,从而可以计算出准确的界面曲率和光顺界面附近突变的物理量,克服了VOF方法利用流体体积函数C计算界面曲率误差较大和光顺界面附近突变的物理量效果较差的缺点,因此该方法较VOF和Level Set方法更加精确。采用voset方法对两个及多个气泡的上升和溶并过程进行模拟,分析了复杂两相流动问题中voset方法的质量守恒特性、几何计算方法的可行性及求解过程的稳定性。本文的研究工作将为voset方法的推广应用奠定基础。

关键词：界面追踪方法 voset 复杂两相流

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外加磁场下磁液液滴二维运动的数值模拟

外加磁场下磁液液滴二维运动的数值模拟

作者：覃情昆明理工大学

学位级别：硕士

磁性液体是磁性纳米颗粒均匀分布载体液体中形成的胶体悬浮液。它既具有液体的流动性,又具备磁性材料的可磁化性。施加外磁场可以有效且非接触式操控磁性液体或液滴,这被认为是一种理想的输运方式。磁场中的磁性液体液滴动力学行为异常... 详细信息

磁性液体是磁性纳米颗粒均匀分布载体液体中形成的胶体悬浮液。它既具有液体的流动性,又具备磁性材料的可磁化性。施加外磁场可以有效且非接触式操控磁性液体或液滴,这被认为是一种理想的输运方式。磁场中的磁性液体液滴动力学行为异常复杂,目前磁场和流场的耦合机理尚不明确。本文针对磁性液体液滴输运做了初步的尝试和探索研究,旨在揭示外加磁场对磁性液体液滴运动和形变的影响,为磁性液体液滴输运的进一步探索提供参考依据。本文根据采用的voset界面追踪方法,将磁力和表面张力耦合到磁性液体两相流的动量方程之中,并与麦克斯韦方程组组成了磁性液体两相流的控制方程,从而建立了二维直角坐标系内磁性液体两相流的物理数学模型。针对水平管中心处的液滴在匀强磁场中的下落过程进行了数值模拟,并详细讨论了磁场强度、磁化率、表面张力、粘性力以及磁场方向对磁性液体液滴运动的速度和形状的影响。磁性液体液滴在磁场中形变量主要依赖于磁场强度和自身的磁化率。当磁性液体液滴在静态非磁性介质中运动时产生的射流作用会导致液滴沿运动方向的回缩,并且射流的强弱与无量纲数Re有关。相界面处的表面张力会阻碍液滴变形,水平管中磁性液体液滴的下落受壁面效应的影响显著,液滴的速度会因壁面效应骤降。在计算区域构造水平梯度磁场,并对水平管轴线上液滴的输运,做了初步的尝试和探索性的数值研究。梯度磁场不仅能改变磁性液体液滴的形状,还能为磁性液体液滴的输运提供驱动力,从而证明了简单梯度输运磁性液体液滴是可行的。在水平梯度磁场中作水平运动的磁性液体液滴,磁场强度、磁化率和液滴半径越大,液滴的形变和运动速度越大;与之相反,周围非磁性介质的黏度越大对液滴的形变越小。磁场梯度较小时,表面张力有充分的时间来平衡液滴头尾磁力的拉伸作用,液滴呈现为对称的扁平椭圆形;磁场梯度较大时,在磁力和周围粘性力的反向拉拽作用下液滴被拉伸成泪珠状。

关键词：磁性液体两相流 voset 液滴磁场

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气液两相湍流直接数值模拟

气液两相湍流直接数值模拟

作者：程哲中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

湍流减阻技术对于节约能源和提高管道输量具有重要实用价值,然而目前对气液两相湍流减阻的研究尚不成熟。已有的实验方法难以精确测量得到流场中的所有信息,因此无法对减阻机理进行深入分析,而直接数值模拟作为机理研究的有力工具,尚未... 详细信息

湍流减阻技术对于节约能源和提高管道输量具有重要实用价值,然而目前对气液两相湍流减阻的研究尚不成熟。已有的实验方法难以精确测量得到流场中的所有信息,因此无法对减阻机理进行深入分析,而直接数值模拟作为机理研究的有力工具,尚未在气液两相湍流减阻领域见到报道。本文将相界面追踪高效方法voset与直接数值模拟相结合用于气液两相湍流计算,并结合黏弹性减阻流体Giesekus本构关系,建立了反映气液两相黏弹性流动特点的控制方程。研究发现voset方法能够精确捕捉到气液两相湍流过程中发生的相界面复杂变化,减阻剂的存在使得数值计算稳定性相对于牛顿流体大幅下降,主要原因为相界面处引入了较大的黏弹性应变梯度,加剧了本构方程求解的不稳定性,使得可计算的顶盖拖动速度限制在1m/sm/s的狭小范围内,影响了对黏弹性气液两相湍流特征的研究。通过用光滑的Heaviside函数对相界面附近的黏弹性应变进行插值,有效增强了数值稳定性,将可计算的顶盖拖动速度范围扩展至50m/s。采用改进后的方法在较宽的雷诺数范围进行了直接数值模拟,通过分析加剂前后雷诺数、速度脉动强度等参数的变化,确认了减阻剂较大地抑制了液相湍流脉动,从而对气液两相湍流流动起到减阻作用,加剂后液相的平均流速增大约37%7%。

关键词：黏弹性气液两相湍流 voset 直接数值模拟

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气泡间相互作用机理的数值模拟

气泡间相互作用机理的数值模拟

作者：张磊重庆大学

学位级别：硕士

多相流广泛存在于工程实际中,它往往涉及到多个气泡的运动。因此,准确了解气泡间的相互作用,对研究多相流动以及沸腾换热特性具有重要意义。本文采用voset(Coupled Level Set and Volume of Fluid)方法和耦合表面张力模型(CSF)的N-S方程... 详细信息

多相流广泛存在于工程实际中,它往往涉及到多个气泡的运动。因此,准确了解气泡间的相互作用,对研究多相流动以及沸腾换热特性具有重要意义。本文采用voset(Coupled Level Set and Volume of Fluid)方法和耦合表面张力模型(CSF)的N-S方程,模拟了静止液体中两个气泡的相互作用,分别研究了竖直矩形通道内水平并排放置和竖直放置的两气泡的运动过程,重点研究了表面张力、粘度、气泡的直径和初始间距等因素对气泡相互作用的影响。研究表明,随着表面张力系数的变化,并排气泡在上升过程出现了三种运动类型:两气泡聚并;两气泡反复靠近、远离但未聚并;两气泡碰撞反弹后逐渐远离。随着粘度的增大,两气泡均会聚并,聚并气泡速度的数值和波动均变小。不同密度下,两气泡出现了聚并和远离的现象。密度较高时,聚并后的速度呈波动状态;密度较低时,聚并后的气泡有稳定的形状和速度。当两气泡的初始间距s小于2.5时,两气泡聚并,当s大于5时,两气泡之间无相互作用。上升过程中,两气泡从聚并到远离的转变直径在2mm-3mm之间。研究中发现,两气泡并排上升过程中会出现聚并或者远离的现象。在未聚并的情况下,两气泡关于通道中心线对称上升,左右两个气泡的上升速度基本一致,水平速度大小相同,方向相反;当两气泡发生聚并时,聚并后的气泡是否有稳定的形状和上升速度取决于Re数。当Re数小于73时,聚并后的气泡有稳定的形状;当Re数大于121时,聚并后的气泡无稳定的形状,呈波动状态。对于竖直通道内上下放置的两个气泡,当尾气泡受头气泡影响较大时,两气泡聚并,聚并后气泡的形状和速度主要取决于单个气泡的终端形状和速度。当尾气泡受到的影响较小时,两气泡独立上升,同单气泡上升过程一致。研究中还发现,两气泡同轴上升过程中,随着Eo数的减小,两气泡的相互作用减小。随着Mo数的减小,两气泡接触的时间提前。对于椭球帽和球状气泡,其聚并后的形状与初始间距无关,和同参数下单气泡上升时的稳定形状相同。而对于形状震荡的气泡,距离的改变会影响整个上升过程。

关键词：多相流数值模拟气泡对 voset