VOF方法中自由液面重构的方法研究

介绍了处理自由液面问题的流体体积（VOF）法，指出利用斜线段来逼近自由液面比其它方法更精确，给出了适用于任意非均匀网格的自由面计算公式。通过计算表明，该方法能够比较精确地构造出运动界面的位置，形状。     

VOF方法理论与应用综述

分析两相流中采用VOF方法模拟交界面运动变化的基本原理,概述近年来为提高VOF方法计算精度和自由面重构效果所做出的各种改进和在各个领域所取得的研究成果及应用前景.指出VOF方法如在基础理论上进行改进,则在多维流场的数值模拟上将会有更广阔的应用空间.     

一类Level Set和VOF的耦合界面捕捉方法

该文根据Level Set方法和VOF方法各自的优缺点,提出一种耦合的界面捕捉方法.该方法利用混合网格的体积份额确定混合网格的距离函数,从而达到提高Level Set方法捕捉运动界面的分辨率、改善守恒性的目的.通过给出的旋转流场和剪切流场的数值算例,说明了本文所提方法的有效性.     

求解流体与结构相互作用问题的ALE有限体积方法

本文发展了求解流体与结构相互作用问题的数值方法。采用任意拉格朗日－欧拉网格（ＡＬＥ）和有限体积方法对流体的控制方程进行空间离散，而时间项则采用三点向后差分格式；对于结构的运动方程采用Ｎｅｗｍａｒｋ积分法进行求解，为了求解耦合的流体和结构的运动方程，采用预测－多步校正法以避免反复迭代所导致的过大的计算量。作为本入方法的应用，计算了圆筒内一同轴圆柱的自由振动问题，在小振幅的情形下，将由计算获得的附加质     

三角形网格下求解二维浅水方程的KFVS格式

以Boltzmann方程为基础,建立了求解二维浅水方程的KFVS(Kinetic Flux Vector Splitting)格式。为保证计算格式的和谐性,通量计算中考虑了底坡源项的作用。在此基础上,采用特殊的底坡源项处理技术,建立了三角形网格下二阶精度的KFVS和谐格式。经典型算例和钱塘江涌潮计算验证,证明本文提出的方法分辨率高,边界适应性强,并具有模拟间断流动的能力。     

带有干湿界面的MUSCL型有限体积法

该文采用MUSCL型非结构化网格的有限体积法模拟有干湿界面的复杂地形的非恒定流动,以Roe格式的近似Riemann解为基础,两步Runge-Kutta法提高到时间二阶精度.对底坡源项采用特征分解保证和谐性,对摩擦力源项采用半隐式格式增加格式的稳定性.采用适当的干湿界面处理技术以满足静水问题,同时对有干湿界面的复杂地形的非恒定流动达到无质量误差.通过几个经典算例,验证了本文方法的守恒性,同时具有良好的间断捕捉能力和稳定性.     

船舶航行兴波CFD模拟的代数型VOF方法研究

作为一种能处理复杂运动界面且具有物理守恒性的算法,VOF (volume of fluid)方法广泛应用于船舶水动力学CFD (computational fluid dynamics)模拟。该文面向船舶航行兴波这一典型且常见的运动界面流动问题,针对网格适应性更好的代数型VOF方法开展研究。该文首先介绍了CICSAM(compressive interface capturing scheme for arbitrary meshes)、HRIC (high resolution interface capturing)和Fromm三种典型的代数型VOF格式,随后采用二维Zalesak算例对几种格式进行了测试;根据对测试结果的分析,对耗散性较强的HRIC格式进行了优化,并得到了Zalesak算例、剪切流场、旋转流场和平移流场下测试结果的验证;最后开展了Wigley船型和KCS船模航行兴波的CFD模拟。经过对Wigley船航行兴波和舷侧波形CFD模拟结果及与模型试验结果的对比分析,结果表明：优化的HRIC格式总体上表现最优,Fromm格式次之,CICSAM格式又次之,HRIC格式模拟结果...     

柱坐标系下的MOF界面重构方法研究

MOF (Moment of Fluid)方法是一种界面重构方法,其在多介质大变形流体的欧拉和多介质任意拉格朗日-欧拉(Multi-Material Arbitrary Lagrangian Eulerian,MMALE)计算中具有重要的地位.该文将MOF方法推广并应用至柱对称坐标系,即在柱对称坐标系下,给出了MOF方法中形心的定义,推导了形心的显式计算公式和形心的输运算法,并给出了确定初始界面方向和界面位置的方法.经静态和动态测试算例表明,柱坐标系下的MOF界面重构方法是有效和正确的,能够保证体积守恒.     

两相流相界面迁移的数值模拟

该文采用VOF法追踪了重力流液液和气液相界面的迁移,发现VOF法可很好地追踪强非线性、大形变的相界面随时间的变化。重点讨论了不同相密度比、黏性比条件下,液液相界面和气液相界面的运动形式,验证了液液相界面主要受Kelvin-Helmholtz不稳定性控制。结果显示：液相密度比越大,液液相界面随时间变化越快,气液交界面不再保持水平位置,而以摆动的形式存在;在黏性比小于5时,黏性比不太影响液液相界面随时间变化。     

基于三角形网格求解二维浅水方程的改进的HLL方法

该文采用HLL格式,在三角形网格下采用有限体积离散建立了求解二维浅水方程的数值模型。基于三角形网格,底坡源项采用简单的斜底模型离散,为保证计算格式的和谐性,对经典的HLL格式计算的数值通量中的静水压力项进行了修正,并证明了修正后的HLL格式具备和谐性。算例证明本文提出的方法是和谐性的并具有良好的间断捕捉能力与稳定性。     

Simulation of shallow water waves using VOF method

In this study, the transformation of groupy waves and plunging breakers as they travel to a breaking point in a coastal zone is two dimensionally investigated. The governing equations are momentum, continuity and Fractional Volume Of Fluid (VOF) function equations. The fluid is assumed to be viscous and incompressible. Turbulence has been considered using the two equations k-? model. A Simple Line Interface Calculation (SLIC) type VOF method is implemented for calculating VOF flux. The Pressure Implicit with Splitting of Operators (PISO) algorithm in the staggered finite volume method is employed. For the validation of the different aspects of the model, numerical tests are performed to simulate plunging breakers. These tests have shown that the present model is a powerful, reliable tool for simulating water free surface in wave motion and the breaking process. Finally, the model is used for simulating the groupy wave propagation and its breaking. The results have shown that the present model is capable of simulating plunging breakers accurately, and it is also able to track the existence of groupy wave induced long wave. Furthermore, the results show that these long period disturbances can travel towards the shore line even after the breaking of the primary wave system.     

基于VOF法的波浪数值模拟水槽(池)建立探索

基于CFD技术建立的数值波浪水槽试验,使用了波浪理论构建的数值水槽模型,在一定程度上能够代替物理实验的波浪水槽.数值波浪水槽构建难点在于实际波浪由于受到建筑物、地形等影响,往往会发生破碎、涡旋等现象,造波消波方法的选择也会对数值水槽建立和计算的准确性产生不同程度的影响.本文采用FLOW-3D软件,利用VOF方法,建立波...     

用VOF方法数值模拟溢流堰流场

采用流体体积函数处理水气交界面,并与标准的k-ε二方程紊流模型耦合模拟了溢流堰上的流场．计算的溢流堰上压力分布和流速,均与物理模型试验的测量结果较为吻合．     

基于VOF 法的碾压混凝土坝自由渗流场数值模拟

碾压混凝土坝渗流属于有浸润面的自由渗流,如何准确地确定浸润面位置是自由渗流场分析的关键及难点。同时,目前大坝渗流研究中多对地质条件、坝体细节以及排水孔进行较大程度的简化处理。针对上述问题,本文建立了包含不同地层、不良地质体、帷幕、排水孔以及坝体的碾压混凝土坝三维统一模型,采用耦合VOF法的三维非稳态水气两相流渗流模型,实现了对碾压混凝土坝复杂自由渗流场的数值模拟。运用该模型模拟某水电站碾压混凝土坝段正常蓄水位下的渗流场,结果表明:防渗帷幕和排水孔能够有效地改善渗流场分布,渗流控制作用明显;上游帷幕处的水力梯度最大值达到32.64,可能会对帷幕造成破坏,应引起足够重视。最后将现场监测点水头和排水孔出水量的模拟值与现场实测值进行对比,平均误差分别为1.57%和8.70%,模拟值与现场实测值基本吻合,验证了该模型的可靠性。     

具特征约束的有限元三角网格自动生成方法

 鉴于地下水数值计算中有限元剖分的特殊需要，提出了一种满足一定约束条件下某一区域内的三角网格自动生成方法，并给出了该方法实现的过程。该网格生成方法综合考虑了两种类型的内部特征约束：固定结点和固定单元边，在此基础上产生满足约束的离散点序列以及已有结点联系表，从而进行三角形网格的自动生成，自动便捷提供数值计算所需的模拟区离散的各种数据信息。另外，还讨论了网格生成后的校验与校正以及向四边形单元的拓展。     

三角网格剖分方法及其在河道水流模拟中的应用

结合波前推进法的思想和Delaunay三角形剖分方法的优点,提出一种适用于平面二维河道水流模拟的网格自动剖分方法.该方法考虑到河道水流模拟计算中的迎风特性,仅以水沙的入口断面为网格扩展的前沿,河道的边界和出口断面为约束控制线,根据需要,可在河道的任意局部地方自动加密,快速地给出数值模拟计算需要的网格数据.最后将生成的网格应用于水流模拟计算中,计算结果能反映水流变化的实际情况.     

Numerical simulation of undular jumps on graveled bed using volume of fluid method

Undular hydraulic jumps are characterized by a smooth rise of the free surface, followed by a train of stationary waves. These jumps sometimes occur in natural waterways and rivers. Numerical difficulties are especially distinct when the flow condition is close to the critical value because of the high sensitivity of the near-critical flow field to flow and channel conditions. Furthermore, the free surface has a wavy shape, which may indicate the occurrence of several transitions from supercritical to subcritical states and vice versa (i.e., undular hydraulic jumps). In this study, a flow model is used to predict an undular hydraulic jump in a rectangular open channel. The model is based on the general two-dimensional, Reynolds-averaged, Navier-Stokes flow equations. The resulting set of partial differential equations is solved using the FLOW-3D solver. The results are compared with the experimental data to validate the model. The comparative analysis shows that the proposed model yields good results. Several types of undular hydraulic jumps occurring in different situations are then simulated to prove the potential application of the model.