PumpLinx VOF功能应用与验证

1、背景介绍

众所周知，PumpLinx一向以运动机械的CFD仿真而闻名，从PumpLinx已推出的各项应用来看，关于各类泵阀、螺旋桨、水下航行体、船体水动力、压缩机、活塞、整车气动模拟及其他运动部件的流体仿真已经有较为成熟的应用和发展。上述流动仿真多集中于单相或关于空化模拟的气液两相，根据已有的相关数据来看，其结果的合理性和精确性是比较受认可的。随着PumpLinx求解技术的不断更新，其推出的VOF模型也越来越多地应用在CFD分析领域。那么该模型精确性如何，适用性如何，且看以下内容。

本文以溃坝流为仿真对象，通过采用PumpLinx的显式和隐式算法分别对溃坝流进行仿真模拟，并结合已有的实验数据进行对比，论述了PumpLinx VOF模型的准确性。

2、实验模型介绍

溃坝流实验是对软件VOF功能进行验证的常用方案。本次研究的模型参数及实验结果引自Maritime Research Institute Netherlands (MARIN)开展的溃坝流实验[1]及XFlow的Validation文档[2]。 溃坝流实验模型尺寸如图1所示，实验在顶面开口的透明水箱（3.22m×1m×1m）中进行。实验开始前，在水箱右侧由闸门将0.55m高的水体隔开。实验开始时，释放一重物，重物将闸门瞬间拉起。

图1 溃坝流模型尺寸

另外，在水箱左侧设置一挡块(0.403m×0.161m×0.161m)，在挡块右侧（迎水面）及上侧各布置4个压力传感器（P1~P8），如图2所示。实验进行时，由同步照相机拍取不同时刻的液面位置。

图2 挡块上压力传感器布置位置

3、仿真模型参数设置

在PumpLinx中相关参数设置如下表所示。

    

图3 PumpLinx二叉树笛卡尔网格

4、仿真结果与实验数据对比

4.1 液面变化对比

将实验中由同步照相机拍取的0.4s及0.56s时刻的液面位置与仿真结果对比，如下图所示。

a) 实验结果

b) PumpLinx VOF显式算法

c) PumpLinx VOF隐式算法

图4 实验与仿真对比—0.4s时刻液面位置

a) 实验结果

b) PumpLinx VOF显式算法

c) PumpLinx VOF隐式算法

图5 实验与仿真对比—0.56s时刻液面位置

在实验结果图中，右上角小窗展示闸门后初始水体的液面变化情况。由图4、图5的对比结果来看，基于显式和隐式算法的PumpLinx VOF仿真均存在微小的时延：0.4s为实验液面刚触及挡块的时刻，而仿真液面（显式、隐式算法）与挡块仍有一小段距离；0.56s时刻，相对仿真结果，实验中由挡块溅起的水花更高。另外，显式和隐式的VOF计算对比，显式算法的液面分布与实验结果更接近，时延相对更小。

总体而言，显式和隐式的PumpLinx VOF仿真，对自由液面的形状捕捉都有很高的精度。

4.2 测压点压力变化对比

图6 P1（左）、 P2（右）处静压时程曲线

图7 P3（左）、P4（右）处静压时程曲线

图8 P5（左）、P6（右）处静压时程曲线

图9 P7（左）、P8（右）处静压时程曲线

对比P1~P8点压力时程变化的仿真和实验结果，无论是量值还是总体变化趋势，显示或隐式算法的PumpLinx VOF仿真都与实验结果有非常高的吻合度。由变化曲线可以定量地看出PumpLinx VOF计算中微小的时延，但对计算结果影响不大，其对大部分压力峰值的捕捉都非常精确。由P1和P5~P8的曲线可见，显示算法与隐式算法相比，其压力峰值与实验结果相比偏离更大一些，但其的时延更小。

P1~P8点处，在1.21s附近产生了虚高的压力畸变，如下图。

图10 压力时程曲线的畸变点

产生压力畸变的原因是该时刻在挡块上侧附近产生了瞬间的封闭气腔，如下图所示，水体进入气腔但又不考虑空气的压缩性，对应的时间步中出现了计算发散。可以看出，在气腔内的测压点P5~P8在该时刻的压力畸变最为严重。而当封闭气腔破坏后，各点的压力值恢复正常，与实验结果吻合。

图11 瞬间的封闭气腔

另外，PumpLinx VOF仿真对溃坝流的领先的、二次液面波的捕捉也非常精确，对应的测点压力计算值与实验值一致。

图12 PumpLinx VOF计算对溃坝流领先的、二次液面波的捕捉

5、总结

利用Pumplinx对溃坝流模型进行仿真，并与Maritime Research Institute Netherlands (MARIN)的实验数据进行对比，验证了在显式和隐式算法下Pumplinx VOF模型的准确性。总体来说，Pumplinx里显示和隐式的VOF模型计算结果差别不大，两者求得的时程曲线无论是量值还是变化趋势都与实验结果十分吻合。两种算法的VOF模型都能准确捕捉溃坝流领先的、二次液面波的时空分布及对应的压力峰值。

参考文献

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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