【技術貼】PumpLinx VOF功能應用與驗證

眾所周知,PumpLinx一向以運動機械的CFD仿真而聞名,從PumpLinx已推出的各項應用來看,關于各類泵閥、螺旋槳、水下航行體、船體水動力、壓縮機、活塞、整車氣動模擬及其他運動部件的流體仿真已經(jīng)有較為成熟的應用和發(fā)展。上述流動仿真多集中于單相或關于空化模擬的氣液兩相,根據(jù)已有的相關數(shù)據(jù)來看,其結(jié)果的合理性和精確性是比較受認可的。隨著PumpLinx求解技術的不斷更新,其推出的VOF模型也越來越多地應用在CFD分析領域。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象,通過采用PumpLinx的顯式和隱式算法分別對潰壩流進行仿真模擬,并結(jié)合已有的實驗數(shù)據(jù)進行對比,論述了PumpLinx VOF模型的準確性。

潰壩流實驗是對軟件VOF功能進行驗證的常用方案。本次研究的模型參數(shù)及實驗結(jié)果引自Maritime Research Institute Netherlands (MARIN)開展的潰壩流實驗[1]及XFlow的Validation文檔[2]。 潰壩流實驗模型尺寸如圖1所示,實驗在頂面開口的透明水箱(3.22m×1m×1m)中進行。實驗開始前,在水箱右側(cè)由閘門將0.55m高的水體隔開。實驗開始時,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個壓力傳感器(P1~P8),如圖2所示。實驗進行時,由同步照相機拍取不同時刻的液面位置。

圖2 擋塊上壓力傳感器布置位置

在PumpLinx中相關參數(shù)設置如下表所示。

圖3 PumpLinx二叉樹笛卡爾網(wǎng)格

將實驗中由同步照相機拍取的0.4s及0.56s時刻的液面位置與仿真結(jié)果對比,如下圖所示。

a) 實驗結(jié)果

b) PumpLinx VOF顯式算法

c) PumpLinx VOF隱式算法

圖4 實驗與仿真對比—0.4s時刻液面位置

a) 實驗結(jié)果

b) PumpLinx VOF顯式算法

c) PumpLinx VOF隱式算法

圖5 實驗與仿真對比—0.56s時刻液面位置

在實驗結(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延:0.4s為實驗液面剛觸及擋塊的時刻,而仿真液面(顯式、隱式算法)與擋塊仍有一小段距離;0.56s時刻,相對仿真結(jié)果,實驗中由擋塊濺起的水花更高。另外,顯式和隱式的VOF計算對比,顯式算法的液面分布與實驗結(jié)果更接近,時延相對更小。

總體而言,顯式和隱式的PumpLinx VOF仿真,對自由液面的形狀捕捉都有很高的精度。

圖6 P1(左)、 P2(右)處靜壓時程曲線

圖7 P3(左)、P4(右)處靜壓時程曲線

圖8 P5(左)、P6(右)處靜壓時程曲線

圖9 P7(左)、P8(右)處靜壓時程曲線

對比P1~P8點壓力時程變化的仿真和實驗結(jié)果,無論是量值還是總體變化趨勢,顯示或隱式算法的PumpLinx VOF仿真都與實驗結(jié)果有非常高的吻合度。由變化曲線可以定量地看出PumpLinx VOF計算中微小的時延,但對計算結(jié)果影響不大,其對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,其壓力峰值與實驗結(jié)果相比偏離更大一些,但其的時延更小。

P1~P8點處,在1.21s附近產(chǎn)生了虛高的壓力畸變,如下圖。

圖10 壓力時程曲線的畸變點

產(chǎn)生壓力畸變的原因是該時刻在擋塊上側(cè)附近產(chǎn)生了瞬間的封閉氣腔,如下圖所示,水體進入氣腔但又不考慮空氣的壓縮性,對應的時間步中出現(xiàn)了計算發(fā)散。可以看出,在氣腔內(nèi)的測壓點P5~P8在該時刻的壓力畸變最為嚴重。而當封閉氣腔破壞后,各點的壓力值恢復正常,與實驗結(jié)果吻合。

圖11 瞬間的封閉氣腔

另外,PumpLinx VOF仿真對潰壩流的第一、二次液面波的捕捉也非常精確,對應的測點壓力計算值與實驗值一致。

圖12 PumpLinx VOF計算對潰壩流第一、二次液面波的捕捉

利用Pumplinx對潰壩流模型進行仿真,并與Maritime Research Institute Netherlands (MARIN)的實驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證了在顯式和隱式算法下Pumplinx VOF模型的準確性?？傮w來說,Pumplinx里顯示和隱式的VOF模型計算結(jié)果差別不大,兩者求得的時程曲線無論是量值還是變化趨勢都與實驗結(jié)果十分吻合。兩種算法的VOF模型都能準確捕捉潰壩流第一、二次液面波的時空分布及對應的壓力峰值。