【技術(shù)貼】PumpLinx VOF功能應(yīng)用與驗(yàn)證

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(lái)看,關(guān)于各類(lèi)泵閥、螺旋槳、水下航行體、船體水動(dòng)力、壓縮機(jī)、活塞、整車(chē)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(lái)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(lái)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(guò)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。

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(kāi)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(kāi)口的透明水箱(3.22m×1m×1m)中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,在水箱右側(cè)由閘門(mén)將0.55m高的水體隔開(kāi)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),釋放一重物,重物將閘門(mén)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

在PumpLinx中相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表所示。

圖3 PumpLinx二叉樹(shù)笛卡爾網(wǎng)格

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(mén)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(lái)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。

圖6 P1(左)、 P2(右)處?kù)o壓時(shí)程曲線(xiàn)

圖7 P3(左)、P4(右)處?kù)o壓時(shí)程曲線(xiàn)

圖8 P5(左)、P6(右)處?kù)o壓時(shí)程曲線(xiàn)

圖9 P7(左)、P8(右)處?kù)o壓時(shí)程曲線(xiàn)

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(wú)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(xiàn)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(xiàn)可見(jiàn),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(xiàn)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

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。總體來(lái)說(shuō),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(xiàn)無(wú)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。