搜索PumpLinx VOF功能應(yīng)用與驗(yàn)證【轉(zhuǎn)發(fā)】
2017-03-31 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1、背景介紹
眾所周知,PumpLinx一向以運(yùn)動(dòng)機(jī)械的CFD仿真而聞名,從PumpLinx已推出的各項(xiàng)應(yīng)用來看,關(guān)于各類泵閥、螺旋槳、水下航行體、船體水動(dòng)力、壓縮機(jī)、活塞、整車氣動(dòng)模擬及其他運(yùn)動(dòng)部件的流體仿真已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用和發(fā)展。上述流動(dòng)仿真多集中于單相或關(guān)于空化模擬的氣液兩相,根據(jù)已有的相關(guān)數(shù)據(jù)來看,其結(jié)果的合理性和精確性是比較受認(rèn)可的。隨著PumpLinx求解技術(shù)的不斷更新,其推出的VOF模型也越來越多地應(yīng)用在CFD分析領(lǐng)域。那么該模型精確性如何,適用性如何,且看以下內(nèi)容。
本文以潰壩流為仿真對(duì)象,通過采用PumpLinx的顯式和隱式算法分別對(duì)潰壩流進(jìn)行仿真模擬,并結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,論述了PumpLinx VOF模型的準(zhǔn)確性。
2、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒榻B
潰壩流實(shí)驗(yàn)是對(duì)軟件VOF功能進(jìn)行驗(yàn)證的常用方案。本次研究的模型參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果引自Maritime Research Institute Netherlands (MARIN)開展的潰壩流實(shí)驗(yàn)[1]及XFlow的Validation文檔[2]。 潰壩流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缛鐖D1所示,實(shí)驗(yàn)在頂面開口的透明水箱(3.22m×1m×1m)中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開始前,在水箱右側(cè)由閘門將0.55m高的水體隔開。實(shí)驗(yàn)開始時(shí),釋放一重物,重物將閘門瞬間拉起。
圖1 潰壩流模型尺寸
另外,在水箱左側(cè)設(shè)置一擋塊(0.403m×0.161m×0.161m),在擋塊右側(cè)(迎水面)及上側(cè)各布置4個(gè)壓力傳感器(P1~P8),如圖2所示。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí),由同步照相機(jī)拍取不同時(shí)刻的液面位置。
圖2 擋塊上壓力傳感器布置位置
3、仿真模型參數(shù)設(shè)置
在PumpLinx中相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表所示。
相關(guān)參數(shù) 值
網(wǎng)格數(shù)量 214889
仿真時(shí)間 6s
時(shí)間步長(zhǎng) 0.001s
重力加速度 9.81m/s2
水的密度 1000kg/m3
水的動(dòng)力粘度 0.001Pa*s
水體初始位置 (x>0)?((y<0.55)?1:0):0
數(shù)值算法 Explicit Method、 Implicit Method
圖3 PumpLinx二叉樹笛卡爾網(wǎng)格
4、仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
4.1 液面變化對(duì)比
將實(shí)驗(yàn)中由同步照相機(jī)拍取的0.4s及0.56s時(shí)刻的液面位置與仿真結(jié)果對(duì)比,如下圖所示。
a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
b) PumpLinx VOF顯式算法
c) PumpLinx VOF隱式算法
圖4 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比—0.4s時(shí)刻液面位置
a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
b) PumpLinx VOF顯式算法
c) PumpLinx VOF隱式算法
圖5 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比—0.56s時(shí)刻液面位置
在實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中,右上角小窗展示閘門后初始水體的液面變化情況。由圖4、圖5的對(duì)比結(jié)果來看,基于顯式和隱式算法的PumpLinx VOF仿真均存在微小的時(shí)延:0.4s為實(shí)驗(yàn)液面剛觸及擋塊的時(shí)刻,而仿真液面(顯式、隱式算法)與擋塊仍有一小段距離;0.56s時(shí)刻,相對(duì)仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中由擋塊濺起的水花更高。另外,顯式和隱式的VOF計(jì)算對(duì)比,顯式算法的液面分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近,時(shí)延相對(duì)更小。
總體而言,顯式和隱式的PumpLinx VOF仿真,對(duì)自由液面的形狀捕捉都有很高的精度。
4.2 測(cè)壓點(diǎn)壓力變化對(duì)比
圖6 P1(左)、 P2(右)處靜壓時(shí)程曲線
圖7 P3(左)、P4(右)處靜壓時(shí)程曲線
圖8 P5(左)、P6(右)處靜壓時(shí)程曲線
圖9 P7(左)、P8(右)處靜壓時(shí)程曲線
對(duì)比P1~P8點(diǎn)壓力時(shí)程變化的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,無論是量值還是總體變化趨勢(shì),顯示或隱式算法的PumpLinx VOF仿真都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有非常高的吻合度。由變化曲線可以定量地看出PumpLinx VOF計(jì)算中微小的時(shí)延,但對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大,其對(duì)大部分壓力峰值的捕捉都非常精確。由P1和P5~P8的曲線可見,顯示算法與隱式算法相比,其壓力峰值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比偏離更大一些,但其的時(shí)延更小。
P1~P8點(diǎn)處,在1.21s附近產(chǎn)生了虛高的壓力畸變,如下圖。
圖10 壓力時(shí)程曲線的畸變點(diǎn)
產(chǎn)生壓力畸變的原因是該時(shí)刻在擋塊上側(cè)附近產(chǎn)生了瞬間的封閉氣腔,如下圖所示,水體進(jìn)入氣腔但又不考慮空氣的壓縮性,對(duì)應(yīng)的時(shí)間步中出現(xiàn)了計(jì)算發(fā)散?？梢钥闯?在氣腔內(nèi)的測(cè)壓點(diǎn)P5~P8在該時(shí)刻的壓力畸變最為嚴(yán)重。而當(dāng)封閉氣腔破壞后,各點(diǎn)的壓力值恢復(fù)正常,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
圖11 瞬間的封閉氣腔
另外,PumpLinx VOF仿真對(duì)潰壩流的第一、二次液面波的捕捉也非常精確,對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)壓力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值一致。
圖12 PumpLinx VOF計(jì)算對(duì)潰壩流第一、二次液面波的捕捉
5、總結(jié)
利用Pumplinx對(duì)潰壩流模型進(jìn)行仿真,并與Maritime Research Institute Netherlands (MARIN)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了在顯式和隱式算法下Pumplinx VOF模型的準(zhǔn)確性?？傮w來說,Pumplinx里顯示和隱式的VOF模型計(jì)算結(jié)果差別不大,兩者求得的時(shí)程曲線無論是量值還是變化趨勢(shì)都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。兩種算法的VOF模型都能準(zhǔn)確捕捉潰壩流第一、二次液面波的時(shí)空分布及對(duì)應(yīng)的壓力峰值。
參考文獻(xiàn)
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K.M.T. Kleefsman, G. Fekken, A.E.P. Veldman, B. Iwanowski, and B. Buchner. A Volume-of-Fluid based simulation method for wave impact problems. Journal of Computational Physics, 206:363-393, 2005.
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XFlow2016_ValidationGuide
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