空泡在固壁附近溃灭的数值模拟

实验表明，静止流场中的近壁空泡在泡内外压差的驱动下将发生变形收缩，直至完全溃灭消失。在这一过程中，伴随着空泡形状的变化，流场中出现多个高压脉冲和高速射流。本文通过直接求解原始变量的N—S方程，用VOF方法计算气液两相交界面的运动过程，对这一现象进行了数值模拟和分析。结果表明理论分析和实验现象相吻合。     

交错气泡运动特性数值模拟研究

为了进一步探讨交错气泡运动形变特征及运动过程,采用Open FOAM开源计算流体力学软件,利用VOF方法,对三维两气泡在不同间距及偏移距离时的上升运动行为进行模拟,研究气泡间距及偏移距离对流场、速度场及气泡形态等的影响。结果表明:在两气泡运动至聚并为一个气泡前,两气泡两侧存在4个大小不一的旋涡,下气泡左侧旋涡影响范围较小;两气泡聚并为一个气泡后,该一个气泡两侧形成2个大旋涡并随着偏移距离增大,左侧旋涡影响的范围也越大。两气泡的间距及偏移距离影响着气泡上升及聚并过程中的气泡形态。气泡间距一定时,下方气泡偏移距离越大,两个气泡顶部速度增幅越小。     

气泡之间相互作用的数值模拟

该文采用VOF(Volume-of-Fluid)中的PLIC(Piecewise Linear Interface Calculation)界面重构方法模拟研究了不同放置方式气泡之间的相互作用,重点分析了外围流体黏性及气泡间距对其影响.结果表明,外围流体黏性及气泡间距对气泡的融合及上升速度都具有不同程度的影响,气泡水平放置时,泡间距较小时,气泡上升速度比单个要大.在气泡开始融合到此过程结束的同时.上升速度出现了先降低后反弹的现象,且随着雷诺数的增加速度降低开始时间滞后.     

空泡在固壁附近潰灭的数值模拟

实验表明,静止流场中的近壁空泡在泡内外压差的驱动下将发生变形收缩,直至完全溃灭消失。在这一过程中,伴随着空泡形状的变化,流场中出现多个高压脉冲和高速射流。本文通过直接求解原始变量的N-S方程,用VOF方法计算气液两相交界面的运动过程,对这一现象进行了数值模拟和分析。结果表明理论分析和实验现象相吻合。     

静水中气泡帷幕产生水平流的数值模拟研究

本文以变密度单流体的连续性方程、雷诺平均方程和k-ε方程为控制方程,采用VOF方法追踪空气和水的界面,通过在连续性方程中添加附加质量源,建立了静水中气泡帷幕的数学模型。数值模拟得到的静水中气泡帷幕产生水平流的特性与Bulson的试验结果吻合较好。通过对数值计算结果的分析得到不同供气量Q时气泡帷幕产生的水平流速度Vm,水平流厚度d等主要特征,对气幕防波堤的消波性能研究具有指导意义。     

自由液面附近空化泡的溃灭特性

研究自由液面附近空化泡的溃灭特性对认识水利水电工程中的空蚀破坏机理具有重要意义。为进一步认识自由液面附近空化泡的溃灭特性,开展了电火花激发空化泡试验。结果表明:(1)空化泡与自由液面距离较近时总是背离自由液面溃灭,背离的临界条件为空化泡与自由液面的距离约是空化泡最大半径的5倍。空化泡尺寸越大或空化泡与自由液面距离越近,其背离现象越明显。(2)自由液面附近双空化泡相向溃灭融合,且融合体背离自由液面移动。(3)在自由液面和空气泡的共同影响下,空化泡的溃灭方向是二者分别对空化泡作用的矢量和。通过本文研究,对自由液面附近空化泡的溃灭有了定量认识,可以在一定条件下预测空化泡的溃灭方向。     

瞬态空化泡的成长与溃灭

本文用边界积分方程方法，研究了无粘流体中瞬态空化泡的成长溃灭过程以及泡与泡相互作用的轴对称问题。数值模拟中，用高阶单元离散边界，采用拉格朗日形式的运动学与动力学边界条件，在时域中用步进法逐次完成模拟过程。并对奇异积分（柯西主值积分）的计算进行了特殊处理。     

静水中单个气泡的动力学特性数值模拟

为研究水中气泡上升的动力学特性,采用数值模拟方法,以静止水中的单气泡为研究对象,应用 CFD 分析软件,建立了气泡在浮力和重力作用下的仿真模型。模拟区域考虑了静水压力梯度场,采用无滑移技术处理流场边界及全结构网格技术处理气泡,对直径为 2.6 mm 和 4 mm 的气泡进行了数值模拟。分析了气泡在水中的运动机理,并将数值计算与实验数据进行了对比。结果表明：气泡在水中的上升路径与上升速度与试验结果吻合良好,此方法为利用数值手段研究水中气泡的运动特性提供了一个有效的解决途径。     

瞬态空化泡的成长与溃灭

本文用边界积分方程方法，研究了无粘流体中瞬态空化泡的成长溃灭过程以及泡与泡相互作用的轴对称问题，数值模拟中，用高阶单元离散边界，采用拉格朗日形式的运动学与动力学边界条件，在时域中用步进法逐次完成模拟过程。     

水中结构物附近三维爆炸气泡的数值模拟

该文阐述水下爆炸结构物附近三维非对称气泡运动的计算模型,基于势流理论采用边界积分法求解拉普拉斯方程。通过与参考文献实验的比较,验证了计算模型的正确性。最后以椭球形结构物下方爆炸气泡为算例进行详细的数值模拟和分析,获得气泡运动规律、流场压强变化,结构物危险载荷及其分布情况,旨在为工程领域水下爆炸气泡运动规律探索以及结构物的破坏机理研究提供参考。     

引江济淮工程江淮沟通段杨大庄跌水三维数值模拟研究

为解决引江济淮跌水、跌井汇流口水流水力特性模拟问题,采用基于 VOF 法的 RNG k-ε 双方程紊流数学模型对杨大庄跌水工程进行三维数值模拟研究,通过计算结果与已经完成的水工模型试验结果相对比,验证该模型模拟杨大庄跌水工程水流的水力特性的可行性。 研究结果表明：通过合理的处理网格及计算参数,杨大庄跌水水流入渠的流态、流速分布及水位数值模拟结果整体与试验值吻合较好,说明利用该模型模拟杨大庄跌水工程水流的水力特性是可行的,数学模型可用于指导和解决类似工程问题。     

虹吸井溢流堰跌水掺气浓度数值模拟探索研究

滨海电厂排水虹吸井溢流堰跌水掺气是造成受纳海域泡沫污染的重要因素之一,掌握虹吸井段跌水掺气浓度对研究排水消泡措施具有重要意义。鉴于掺气试验物理模型相似性、复杂水流条件下掺气浓度测量精度、模型试验周期和成本等问题,虹吸井物理模型试验具有一定的局限性。随着计算流体力学软件发展成熟,数值模拟方法逐渐成为研究复杂流动的有效工具,且可进行多方案分析计算,对物理模型试验具有指导、补充作用。本文采用FLUENT软件结合VOF模型与标准k-ε模型对虹吸井溢流堰跌水掺气问题进行了数值模拟。通过与物理模型试验结果的对比分析,显示有较好的拟合性。在此基础上,计算分析了虹吸井溢流堰下游不同过流量、不同潮水位和不同跌水高度的掺气浓度变化。计算结果证明此方法可在一定程度上反映掺气浓度的变化规律,并可为不同工程方案掺气程度对比研究提供依据。     

汽液黏滞系数对空化泡溃灭过程影响的数值模拟

利用格子玻尔兹曼方法(LBM)伪势模型模拟了近壁区空化泡溃灭过程,分析了不同汽相黏滞系数和液相黏滞系数对空化泡溃灭过程中的最大微射流流速、最大溃灭压力、最大溃灭时间的影响。结果表明,相同液相黏滞系数条件下,改变汽相黏滞系数,空化泡溃灭时产生的最大微射流流速、最大溃灭压力和最大溃灭时间不变;保持汽相黏滞系数不变,空化泡溃灭时最大溃灭压力、最大微射流流速均随着液相黏滞系数的增大而减小,但最大溃灭时间随着液相黏滞系数的增大而增大。     

基于CLSVOF方法的三维单个上升气泡运动的数值模拟

运用CLSVOF方法数值模拟了三维单气泡在液体中的上升和变形过程,分别考察了液体的表面张力和浮力对上升气泡变形的影响。计算结果表明:CLSVOF方法能比较精确地跟踪三维单气泡在液体中的上升过程;在相同密度比和粘度比情况下,随着液体表面张力的减小和液体浮力的增大,气泡底部形成的射流使得气泡下缘凹陷变得明显,变形幅度加大,射流穿透气泡的时间提前。     

液固悬浮液中气泡生成的数值模拟

将Level Set方法与硬球离散颗粒方法相结合,建立了一个三相流混合模型。应用该模型对液固悬浮液中气泡从单孔及多孔中的形成过程进行了三维模拟,并与文献中已有的结果进行了定性比较。数值试验主要比较了在悬浮液与纯液体中的气泡生成与上升行为。模拟结果表明,颗粒的存在对气泡的形成与上升有重要影响;气泡诱导的流体流动对气泡与颗粒的运动均有显著地影响。     

基于VOF模型的泄槽内掺气槽的三维 流场数值模拟

通过采用RNGk}e模型模拟湍流,利用VOF法追踪自由水面,对设置掺气槽前后两种方案 的陡坡泄槽段三维流场进行数值模拟。模拟结果表明,VOF模型是模拟带自由表面水力学问题的较 好方法,能够较好地对掺气空腔的自由面进行追踪。数值模拟结果与模型实测值二者吻合良好,表明 该种方法可用于计算掺气槽内掺气空腔的长度。     

气泡帷幕对水下爆破冲击波的削弱作用研究

水下钻孔爆破工程中,爆破产生的水中冲击波对于周围环境有着巨大危害,对爆破区域内的重要保护对象采取相应的防护措施意义重大。为研究气泡帷幕技术对于水中冲击波的削弱作用,结合长江九朝段炸礁工程,通过LS-DYNA模拟软件建立了水下钻孔爆破模型,对比分析了气泡帷幕的不同设置距离对削弱作用效果的影响。研究结果表明:气泡帷幕对于水中冲击波的峰值压力和冲量均有明显的削减作用,各工况下水中冲击波峰值压力及冲量削减比例分别为22.4%~49.6%和12.1%~53.7%;当气泡帷幕距离被保护对象5 m时,其削弱效果最好。     

溃坝水流在复杂河道中传播的三维数值模拟

为研究河道弯曲和障碍物对溃坝波传播的影响,采用有限体积法对描述水流运动紊流模型和描述自由水面运动的VOF方程进行离散,建立了溃坝水流运动的三维数学模型,并对急弯河道进行了数值模拟计算。急弯河道溃坝波传播过程的模拟结果与前人实体模型试验结果基本一致。利用该模型研究了丁坝附近溃坝波传播的特性和溃坝水流的内部结构,数值模拟结果表明,溃坝波的传播受河道弯曲或障碍物的影响,产生反射和绕射,使得局部溃坝水流呈明显的三维特性。上游丁坝迎水面受到溃坝波波前的直接冲击,其动水压力远大于作用于下游丁坝的动水压力。另外,障碍物对溃坝水流的影响主要局限在障碍物上游和下游一定范围内,在此范围外,水流呈二维或一维特性。