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有較為成熟的應用和發展。上述流動仿真多集中于單相或關于空化模擬的氣液兩相,根據已有的相關數據來看,其結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,并結合已有的實驗數據進行對比,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及實驗結果引自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,在水箱左側設置一擋塊(0.403m×0.161m×0.161m),在擋塊右側(迎水面)及上側各布置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中相關參數設置如下表所示。

圖3 PumpLinx二叉樹笛卡爾網格

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果對比,如下圖所示。

a) 實驗結果

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

產生壓力畸變的原因是該時刻在擋塊上側附近產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了計算發散。可以看出,在氣腔內的測壓點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)的實驗數據進行對比,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。