基于CIP类方法的液舱晃荡数值模拟研究与应用

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作为复杂的流体运动现象,液体发生晃荡时会伴随产生波面破碎、波对舱壁的高速砰击、液滴形成及气泡卷入等强非线性现象,并表现出很强随机性。本文对晃荡现象数值研究现状,特别是CIP法在晃荡现象研究的发展进行了较全面的回顾,在此基础上,采用基于CIP(Constrained Interpolation Profile)法的自编程序,对晃荡现象机理进行研究。主要分为以下几个内容:1)系统介绍了CIP方法的基本原理以及应用于晃荡现象的处理。详细说明了CIP方法与压力修正(SIMPLE类)方法的区别与联系,所采用的数学模型,利用CIP法对流场进行分步求解的步骤。2)选定适当的数值模型对晃荡现象进行描述并进行程序的实现。在原理介绍的基础上实现程序编写。结合CIP方法应用于晃荡现象的特点,采用交错网格描述流场信息,在边界处采用虚网格保证边界条件的处理。应用带有预处理矩阵K的Bi-CGSTAB方法求解压力泊松方程,提高计算精度和效率。3)将所编制的程序用于溃坝问题的模拟,以作为大变形自由液面的验算。对溃坝过程中的液面变化进行了监测,与Fluent计算结果相比较,验证所编写程序可以对自由液面进行很好的捕捉;对溃流下游固定壁面处压力测点的载荷变化进行监测,与实验结果的比较表明,所编写程序可以反映流场中压力的变化。4)在溃坝模拟验算的基础上,利用自编程序进行晃荡问题的研究。针对不同液深及晃荡幅值的工况进行相应计算,在非谐振激励下,各种液深下的晃荡强度均小于谐振激励,但高液深时的差异较小。对壁面压力进行监测发现,当舱内形成驻波,舱壁所受冲击压力显著变小。
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