VOF水滴模拟

VOF模型在流体力学中的作用

VOF模型在流体力学中的作用VOF（Volume of Fluid）模型是一种常用的数值模拟方法，广泛应用于流体力学领域。

该模型基于保守方程和界面捕捉技术，可以有效地模拟多相流动的现象和行为。

在以下几个方面，VOF模型在流体力学中发挥着重要作用：1. 界面捕捉和跟踪VOF模型能够精确地捕捉和跟踪液体与气体或其他流体之间的界面。

通过计算不同流相在空间中的体积分布，VOF模型可以确定界面位置并实时更新。

这对于模拟液体流动、泡沫、水滴、雾气等多相流体现象非常重要，为研究界面行为和变化提供了可靠的数值工具。

2. 流体动力学分析VOF模型能够提供丰富的流体动力学信息。

通过解算Navier-Stokes方程和质量守恒方程，VOF模型可以准确地描述液体的运动行为，包括速度分布、压力变化等。

这使得VOF模型在分析液体流动的特性、研究流体力学问题以及模拟流体工程系统等方面发挥着重要作用。

3. 液滴研究VOF模型在液滴研究中具有广泛应用。

液滴是许多现象和工程应用中的重要组成部分，如喷雾、泡沫、涂覆等。

通过VOF模型可以模拟液滴的形状、运动和破裂等行为。

这对于研究液滴在不同条件下的变化、优化流体设备以及优化涂覆和喷雾过程具有重要意义。

4. 水动力学分析VOF模型在水动力学分析中有广泛应用。

在模拟水体运动、波浪和涌浪、河流和海洋中的潮汐运动等方面，VOF模型能够提供准确的数值预测。

通过VOF模型可以研究水体的流动特性、液面变化、水流结构等，为水工程和海洋工程的设计和优化提供了有力支持。

总之，VOF模型在流体力学中的作用体现在界面捕捉和跟踪、流体动力学分析、液滴研究以及水动力学分析等多个方面。

由于其精确性和可靠性，VOF模型成为研究多相流体行为和模拟流体力学现象的重要工具，为流体力学领域的研究和应用提供了有力支持。

vof方法基本原理

vof方法基本原理：VOF方法，全称为流体体积法（Volume of Fluid Method），是一种用于模拟和分析流体动力学问题的数值计算方法。

它的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数f 来确定自由面，并追踪流体的变化。

这种方法不是追踪自由液面上质点的运动，而是基于流体体积分数的概念来模拟流体的行为。

在VOF模型中，计算区域被离散化为一系列小的网格单元，每个单元内部都有一个体积分数（Volume Fraction），用于表示流体在该单元中的占据比例。

体积分数f的值等于一个单元内流体体积与该网格单元体积之比。

根据体积分数f 的值，可以判断该单元的状态：1.若f=1，表示该单元完全被指定相流体所占据。

2.若f=0，表示该单元内没有指定相流体。

3.当0<f<1时，表示该单元内存在自由界面，也就是说单元内部同时包含两种或多种流体。

这些单元被称为交界面单元，是VOF方法关注的重点。

通过计算每个单元的体积分数，VOF方法可以获得整个流域内的流体分布情况。

在交界面处，这些小单元的体积分数会发生变化，以模拟交界面的运动和变形。

因此，VOF方法能够处理自由面重入等强非线性现象，并且所需计算时间短、存储量少。

在VOF模型中，还需要考虑流体的质量守恒和动量守恒，以保证模拟的准确性。

例如，在交界面处，两种流体之间的质量和动量应该是守恒的。

因此，VOF模型中会通过一些物理模型和数学方法来计算交界面处的质量和动量的变化，以确保模拟结果的守恒性。

总之，VOF方法通过追踪流体体积分数的变化来模拟和分析流体动力学问题，具有处理复杂自由面问题的能力，并且计算效率高。

应用VOF模拟水下射流实例

}
end_f_loop(f, thread)
}
同时，将并将空气相的回流体积比设为0（不知道对不对？）。如图12所示。
图12
Pressure_outlet3
设定为一个标准大气压力+水深（3米）产生的压力，即P3=101325-1000*9.8*（-3）=130725Pa。不知道如何设置湍流参数k和epsilon值。所以暂时设定为默认值，即k=1，epsilon=1。如图13所示。
图13
同时，将并将空气相的回流体积比设为0（不知道对不对？）。如图14所示。
图14
Pressure同，也使用UDF。如图15所示。
图15
其他相关
图16
图17
图18
图19
图20
存在的问题
1、模型的应用是否得当？
2、边界条件的设定是否合理？
3、为提高模拟精度，需做哪些改进？
图3
图3中所示的红色网格被定义为Pressure_outlet2。
图4
图4中所示的红色网格被定义为Pressure_outlet3。
图5
图5中所示的红色网格被定义为Pressure_outlet4。
图6
图6中包含了计算区域尺寸以及网格有关信息。
边界条件设定：
Pressure_inlet
压力大小Pin=132290Pa。
图9
并将空气相的回流体积比设为0（不知道对不对？）。如图10所示。
图10
Pressure_outlet2
设定为一个标准大气压力+水深产生的压力，即P2=101325-ρ水*g*z，式中为重力加速度；为出口的坐标值。在FLUENT中使用UDF来设定该边界条件。如图11所示。

VOF方法模拟回形水块自由跌落入水过程

ｘ
收稿日期：０９３２２０～０－９
作者简介：廖斌（９５）男，西抚州人，１８一，江硕士研究生，究方向为流体力学研
（）、２
界面变形及界面破碎是两相流运动界面研究的热点问题。当运动界面发生撞击时流体运动和自由面变化非常复杂，了为研究界面变形及界面破碎问题，可选用回形水块（含气泡空包洞的方形水块）自由跌落入水作为计算模型，应用ＶＦＶｌＯ（ｏｍｅｕ
一
从式（）以看出Ｆ值为单元内流体体积与单元体积之Ｉ可
比。果Ｆ：１则这个单元充满流体；果Ｆ＝０则该单元不如，如，含流体；如果０＜Ｆ＜１则该单元一定含有自由面。过求解Ｆ，通值，定自由面位于哪些单元内。然，们还可以看出，函确显我Ｆ数是一个步进函数，是连续函数，且，的值沿自由面的法不而线方向变化最快，明用Ｆ的导数值呵以确定自由面的方向和说
式中：为时间；、ｔｕ为流体速度在、方向上的分量；：ｐｏｐｙ／（为流体压力，Ｐ为流体密度）＂为流体运动黏滞系数；、为体；积加速度分量；为部分单元体参数，０＜０＜１。
Ｆ函数满足：
１ＶＯＦ方法
ＶＦ方法是求解不可压缩、性、变和自由面流动的一Ｏ黏瞬
第３２卷Ｉ期
２ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ００年１月

利用三维VOF模型模拟消能池的淹没水跃

为：
引言
在公路排水系统中的急流槽是由于急流槽纵坡大，水流湍急，出水口冲刷力大，可能造成出１３铺砌段损
ｏ２ｌｏｌ（．）【＝ — 【＝１１
在一个单元中，水的容积比率会有三种情况，即ｏ．０或介于０ｌ间，【＝，ｌ和之分别与控制单元内充满气、充满水和包含水气界面的三种情况相适应。在每个单元中，水和气的容积比率之和为ｌ。
面。
２控制方程．
毁，引起急流槽整体滑动，或冲蚀内外路
采用两相流理论中三维桐闻界面计算模型一ＶＦ模型模拟计算水流进入急流槽消能池发Ｏ
生淹没式水跃的过程，跟踪由水面的变化。
模拟结果表明ＶＦ模型能较为准确地实现自由Ｏ
水气两相流的自由表面处理采用ＶＯＦ（ｏｕｏｆｕｄ）模型。模型对每一ｖｌｍｅｆｌｉ
毒
（）２．４
Ｅｅｇｉｉａｉｎｒｙｄｓｐｔｎ；ＴｒｅｉｅｓｎＶＦｍｏｅｓｏｈｅ－ｄｍｎｉｓ０Ｏｄｌ
ｔａｔｅＯｍｏｅｃｒｒｃｔｅｆｅｓｒａｅｈｔｈＶＦｄｌａｔａｋｈｒｅｕｆｃｌａｃｒｔｌｃｕａｅｙ．
鲁＋毒Ｇｃ尝Ｉｐ２］＋ｃ —
方：等（）程ｐ＝
＋
１ＶＦ．Ｏ方法处理自由表面
Ｔｅ０Ｆｏｅ．ａｉｄｆｈＶｍｄ１ｋｎｏｍｏｅ５ｇｓｌｉｄＩＤａ－ｆｕｄ

大水滴撞击壁面的动态特性数值模拟

ｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｄｅｃｒｅａｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｐｒｅａｄｉｎｇｄｉａｍｅｔｅｒ
大水滴撞击壁面的动态特性数值模拟
郭宇翔，刘荫泽，董威，雷桂林，朱剑鏊
（上海交通大学机械与动力工程学院，上海摘２００２４０）
要：采用ＶＯＦ方法建立了大水滴撞击壁面的计算模型，模拟了大水滴以不同直径、不同速度撞击光滑壁面的
ａｎｄｔｈｅｍａｉｍｕｘｍｓｐｒｅａｄｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｔｈｅ
ＧｕｏＹｕｘｉａｎｇ，ＬｉｕＹｉｎｚｅ，ＤｏｎｇＷｅｉ，ＬｅｉＧｕｉｌｉｎ，ＺｈｕＪｉａｎｊｕｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）

fluentvof模型用法介绍

fluentvof模型用法介绍FluentVOF是一种流体动力学模拟软件，它可以用于模拟多相流、自由表面流、湍流等复杂流体现象。

FluentVOF的使用方法可以分为以下几个步骤：1. 准备模型：在使用FluentVOF之前，需要准备好模型。

模型可以是CAD软件中设计的三维模型，也可以是手工绘制的二维模型。

在准备模型时，需要注意模型的几何形状、边界条件、网格划分等因素。

2. 导入模型：将准备好的模型导入FluentVOF中。

FluentVOF支持多种文件格式，如STL、IGES、STEP等。

导入模型后，需要对模型进行网格划分，以便进行数值计算。

3. 设置物理模型：在FluentVOF中，需要设置物理模型，包括流体的物性参数、流体的运动方程、边界条件等。

在设置物理模型时，需要根据实际情况进行调整，以获得准确的模拟结果。

4. 进行数值计算：在设置好物理模型后，可以进行数值计算。

FluentVOF使用有限体积法进行数值计算，可以得到流体的速度、压力、温度等物理量的分布情况。

5. 分析结果：在进行数值计算后，可以对结果进行分析。

FluentVOF提供了多种分析工具，如流线图、剖面图、矢量图等，可以帮助用户更好地理解模拟结果。

FluentVOF的使用方法需要一定的数学和物理基础，同时也需要一定的计算机技能。

在使用FluentVOF时，需要注意以下几点：1. 网格划分：网格划分对模拟结果的准确性有很大影响。

需要根据实际情况进行网格划分，以获得准确的模拟结果。

2. 物理模型：物理模型的设置需要根据实际情况进行调整，以获得准确的模拟结果。

在设置物理模型时，需要考虑流体的物性参数、流体的运动方程、边界条件等因素。

3. 计算资源：FluentVOF需要大量的计算资源，包括计算机的处理器、内存、硬盘等。

在进行数值计算时，需要保证计算机的性能足够强大，以获得准确的模拟结果。

FluentVOF是一种强大的流体动力学模拟软件，可以用于模拟多种复杂流体现象。

水滴动力学的模拟与应用

水滴动力学的模拟与应用一、引言水是地球上最重要的自然资源之一，也是人类生命的基本组成部分。

水在自然界中具有广泛的应用价值，其动力学行为的研究对环境保护、工业生产以及科学技术的发展都具有重要的意义。

本文将介绍水滴在微观尺度上的动力学特性，以及水滴动力学模拟在现代科技领域的应用。

二、水滴的形成与运动1. 水滴的形成水滴是指从一个水面上脱离，形成一个凸起的小球状液滴的过程。

水滴的形成主要受到表面张力和重力作用的影响。

当水表面张力的力量大于重力时，会形成一个凸起的水球，而当表面张力的力量小于重力时，水滴就会脱离水面。

2. 水滴的运动水滴在运动时会受到多种因素的影响，例如重力，摩擦力和气体阻力等。

水滴在空气中的运动受到空气的阻力，因此会受到一定的减速度。

如果水滴在斜面上运动，其滑动速度和滑动方向受到重力和摩擦力的影响。

三、水滴动力学模型的建立1. 介绍水滴动力学模型水滴动力学模型是指对水滴的运动进行数学建模的过程。

水滴动力学模型可以基于流体力学和分子动力学原理进行建模，从而定量研究水滴的运动特性。

2. 建立水滴动力学模型的方法水滴动力学模型的建立需要收集并分析水滴的实验数据，然后根据模拟需求选择适当的计算方法和优化算法，通过编写计算程序进行模拟和实验验证。

四、水滴动力学模拟在现代科技领域的应用1. 水滴动力学模拟在医学领域的应用水滴动力学模拟在医学领域中可以应用于生物流体力学研究中，例如血液的流动和病毒的传播。

这些应用可以帮助医生更好地理解疾病发展的过程，提高诊断和治疗的准确性。

2. 水滴动力学模拟在农业领域的应用水滴动力学模拟可以应用于土壤湿度、植物水分蒸腾等领域的研究中。

这些应用可以帮助农民更好地了解土壤渗透和植物生长的过程，从而更好地制定农业生产计划。

3. 水滴动力学模拟在工程领域的应用水滴动力学模拟在工程领域可以应用于设计汽车喷水器、地下水垂直井和水力驱动系统等领域。

这些应用可以帮助工程师更好地了解流体的流动和水力装置的性能，从而设计更加高效和节能的设备。

VOF方法理论与应用综述

VOF方法理论与应用综述一、本文概述随着计算流体力学（CFD）的快速发展，体积分数（Volume of Fluid，简称VOF）方法作为一种重要的界面追踪技术，在模拟多相流、流体界面动态演化等复杂流动现象中发挥着越来越重要的作用。

本文旨在全面综述VOF方法的理论基础、数值实现以及在各个领域的应用实践，为相关领域的研究人员和实践者提供一份系统的参考资料。

本文将详细介绍VOF方法的基本原理和数学模型，包括其起源、发展历程以及核心控制方程。

本文将对VOF方法的数值求解技术进行深入探讨，包括界面重构、体积分数更新、界面捕捉等关键步骤的实现方法和技术难点。

本文还将综述VOF方法在不同领域的应用案例，如液滴碰撞、液面波动、溃坝流动等，以展示其在实际问题中的应用效果和潜力。

通过对VOF方法理论与应用的综述，本文旨在为相关领域的研究人员提供一份系统的理论指导和实践参考，促进VOF方法在多相流模拟和流体界面追踪领域的应用和发展。

本文也期望能够激发更多研究者对VOF方法的兴趣，推动其在更多领域的应用探索和创新研究。

二、VOF方法理论基础VOF（Volume of Fluid）方法是一种用于模拟多相流动中自由表面和界面追踪的数值技术。

它基于流体体积守恒的原理，通过追踪流体体积分数（Volume Fraction）的变化来描述流体界面的运动。

VOF 方法将计算区域划分为一系列的网格单元，并在每个网格单元内计算流体体积分数，从而确定流体界面的位置。

VOF方法的理论基础主要涉及到流体动力学的基本原理和数值计算方法。

流体动力学的基本原理包括质量守恒、动量守恒和能量守恒。

在VOF方法中，质量守恒是通过追踪流体体积分数来实现的。

在每个时间步长内，通过计算网格单元内流体体积分数的变化，可以确保流体的质量守恒。

VOF方法采用数值计算方法对流体动力学方程进行离散和求解。

常用的数值计算方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。

在VOF方法中，有限体积法因其计算效率高和物理意义明确而被广泛应用。

VOF模型的使用实例

• 3、定义表面张力
某某公司
某某公司安全生产监察处
• 4、定义操作压力
某某公司
设置参考压力位置在一个始终充满空气的点处。
某某公司安全生产监察处
• 5、定义UDF
某某公司
某某公司安全生产监察处
四、设置边界条件某某公司
• 1、设置主入口边界条件(inlet)
某某公司安公司
• 1、读入网格文件，使用2ddp格式 • 2、网格检查 • 3、更换网格单位
某某公司安全生产监察处
•4、选择网格尺寸单位
某某公司
(a) Select length from the Quantities list. (b) Select mm from the Units list. (c) Select surface-tension from the Quantities list. (d) Select dyn/cm from the Units list. (e) Close the Set U某n某it公s司p安an全e生l.产监察处
某某公司安全生产监察处
某某公司
• 5、开始进行迭代
某某公司安全生产监察处
• 6、设置自动保存
• 7、保存初始文件
某某公司
• 8、开始迭代某某公司安全生产监察处
四、显示计算结果某某公司
• 1、利用不同颜色显示不同时刻的水的组分分布，显示6毫
秒时的体积分数
某某公司安全生产监察处
某某公司 • 2、显示12微秒时的体积分数
• 2、设置出口边界(outlet)
某某公司安全生产监察处
某某公司 • 3、设置壁面条件（wall_no_wet和 wall_wet）

基于VOF的物体入水-下潜过程数值模拟

始动量条件下圆柱体的入水一下潜过程。结果表明：文章建立的入水一出水数值模型可很好地刻画二维
圆柱体入水及出水的具体过程，且初始动量大小是圆柱体在入水后能否下潜至取水涵道的关键因素，数
值结果为判断取水口附近物体入水后的下潜风险提供了分析依据。关键词：物体入水；下潜；ＶＯＦ；取水明渠；数值模拟中图分类号：Ｔｖ１３１；Ｏ２４２．１文献标识码：Ａ文章编号：１００５ — ８４４３（２０１７）０２ — ０１２０ — ０６
２０１７年４月
王
平，等
基于ＶＯＦ的物体入水一下潜过程数值模拟
１２１
１数值模型
对于不可压缩流体，在直角坐标系下其运动规律可以用Ｎ — ｓ方程来描述，包括连续性和动量方程分别
为
ｄ：０（１）
程；最后结合二维明渠取水及圆柱体人水过程模拟了不同密度圆柱体在不同初始动量条件下的下潜过程。该计算过程为研究取水口物体下潜的可能性提供了一种数值方法，同时数值结果也为判断取水口附近物体
下潜风险提供了分析依据。
收稿日期：２０１６ — ０９ — １９；修回日期：２０１６ — １０ — ２５
王平，袁帅，邹文峰，陈伟斌，史文奇
（１．国家海洋环境监测中心，大连１１６０２３；２．大连中交理工交通技术研究院，大连１１６０２４）

FLUENT水滴在亲水性表面和疏水性表面的形态

FLUENT水滴在亲水性表面和疏水性表面的形态1 前言水滴滴在不同特性的表面上时会有不同的形态，滴在疏水性表面时，水滴通常会表现出球形形状，比如荷叶上的露珠；滴在亲水性表面时，水滴通常会在表面扩散开，形成液面。

这个现象可以很容易的通过FLUENT的VOF多相流模型来模拟，本次案例将演示该现象，但是案例更有意义的一方面是表面张力、接触角的设定说明。

2 建模与网格建立如下的二维平面模型，尺寸10mm×10mm，划分四边形网格，网格尺寸0.05mm。

假设在初始时刻，距离底面1mm的位置有个半径1mm的水滴，模拟水滴落到底面的形态变化。

3 求解设置对于本案例，启用层流模型更为合适。

开启重力加速度项，方向为-Y，加速度值9.81m/s2。

从材料库拷贝水蒸气和液态水材质。

开启VOF多相流模型，设置主相为液态水，次相为水蒸气。

设置表面张力模型为CSF，并设置黏附项为Wall Adhesion，表面张力系数为0.07N/m。

将计算域的两边设置为对称边界，顶部和底部设置为壁面边界，同时设置底面的接触角（分别设置10°和120°）。

对于壁面接触角的设定注意如下，测量位置是位于最左边那一列的介质的，因此需要结合主相和次相的设定顺序来设定接触角，使得与实际情况相符。

初始化计算域的速度和压力均为0，充满水蒸气，并通过patch方式在相应位置创建一个水滴，初始效果如下。

瞬态求解，时间步长取0.0001s。

4 计算结果液滴下落一段时间后，疏水表面上的液滴形态如下，基本保持球形。

液滴下落一段时间后，亲水表面上的液滴形态如下，原来的液滴扩散成液面了。

最后，我们看一下两种表面下液滴的形态变化动画。

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vof方法

vof方法
VOF法（Volume of Fluid技术）是一种流体介质中二相流动模拟技术，是对传统的
多孔固体有限差分技术方法进行改进。

此方法基于VOF技术引入流体体积分数，使不同相
的流量可以在相之间迅速转换，给模拟多相流体流动带来了极大便利。

VOF技术使用流体体积分数来描述流体相的控制，每一个单元的流体体积分数值都表
示这一单元内有多少流体。

当流体相发生变化时，VOF法能够描述流体体积分数的改变，
实现流体从一处流动到另一处以及静水上发生的空间控制。

由于VOF法具有描述流体体积分数变化的能力，因此它能够模拟流体体积分数的变化，充分把握两相流动的演变，变种为各种复杂的不同相流体之间的变化，记录流动数据。

因此，它也能够模拟一种复杂的流动模式，如气液两相流的相变，油水混合态的变化，重力
流动，湍流流动等。

VOF法开创了多相流体动力学模拟的新局面，在汽车制造、化工行业和流体系统设计
方面都有应用，是一种非常实用的计算流体动力学技术。

VOF方法在进水口三维数值模拟中的应用

VOF方法在进水口三维数值模拟中的应用作者：刘艳芳于向东杨校礼夏在森来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第04期摘要：本文通过数值模拟中的VOF(Volume of Fluid)方法对进水口进行模拟计算，并将计算得出的水头损失值与水工模型试验实测结果进行对比，得到了很好的契合度，验证了此方法的可行性。

并进一步对增设不同长度中墩情况下水头损失的大小进行计算模拟，以根据水头损失情况在众多方案中选取最佳的中墩长度以及探讨最佳中墩长度与上游来流Fr数之间的关系。

关键词：VOF 水头损失中墩进水口0 引言VOF法是在标记网格法(MAC法)的基础上发展起来的，该方法允许较陡的自由表面和非单一表面，同时需要少量的计算机存储单元，该方法在处理含有复杂自由表面的流体力学问题时具有一定的优越性。

由于它进行的是区域跟踪，并非直接跟踪自由表面的运动，这样可以避免运动界面交叉等现象引起的逻辑问题被大量的应用于水利工程的数值模拟之中。

1 数学模型的建立1.1 进水口三维水流数学模型的建立本次数值模拟的物理实体为青草沙水库输水干线进水口工程。

数值模拟的计算区域由流场进口、固体边壁、水面和流场出口组成。

为了平稳水流使其符合流体的实际流动情况，在进水口前加长了引水渠。

水流进口取在物理模型引水渠的断面，出口取在输水管的末端。

数值模型的三维数学模型断面图见图1：1.2 网格划分考虑到计算精度及计算时间的要求，本文在网格划分时，采用结构化和非结构化网格相结合来离散计算区域，在边界形状较为复杂区域进行三角形单元非结构化网格划分，在形状相对简单区域进行六面体单元结构化网格划分。

且在网格划分方面根据所研究问题的不同，对关注的区域进行局部加密。

对引水渠段采用较稀疏的网格，对较为关注的区域收缩段和进水闸井段，垂向高度进行局部加密。

计算网格规模大约在40到50万左右。

1.3 控制方程本文所研究的是不可压缩流体的流动问题，采用的是标准k-ε模型进行计算，标准k-ε模型，是针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立的，它是一种针对高Re数的湍流计算模型。

VOF模拟水滴自由落体Made by SRH本例子适用了VOF多相流动模型，模拟了水滴自由落体到水面上的过程。

适用于初学者，由于时间比较紧张，计算格式的定义都比较粗糙，希望大家见谅。

1.模型：边长为0.5m的正方形，上边为出口边界，其它三面为壁面。

一滴水由模型的顶部，落入水中。

建立模型并划分网格，定义边界条件，导出msh文件。

2.打开fluent，导入所建立的msh文件。

3.检查网格，调整单位，光滑网格。

4.选择求解器，设置如下：5.选择多相流模型VOF。

流动模型保持默认的层流模型。

注明：本例子是使用层流模型建立的，也可以使用紊流模型。

自己尝试了！！6.定义液态水和空气两种材料。

7.定义运行环境：8.设置边界条件，出口为出口流。

9.设置求解参数格式，具体设置如下图：10.初始化流场。

11.设置第二相的区域。

Adept-region12．设置居于顶部的水滴的圆形区域。

设置底部的水区域。

每一次设置完成之后要点击Mark，将此区域暂存在存储器中。

点击manger，可以查看自己设置的临时存储器。

13.初始化水区域，菜单-solver-初始化-点击patch。

将设置的存储器中的区域初始化为水。

14.设置残差监视器。

15.设置动画。

设置时选择时间步（time step），命名为shuidi，将window增加为1，点击set，弹出动画监视器。

16. 设置contours，选择组分，监视air。

红色的为空气，蓝色的为water。

17.设置时间步长、时间步和每一步的迭代次数。

18.计算结果的残差。

19.保存结果。

20.保存动画结果；选择MPEG，点击Write。

21.动画见附件。

IT IS OVER!!!!Made by SRH。

应用VOF方法的水平圆柱入水数值模拟

应用VOF方法的水平圆柱入水数值模拟陈宇翔;郜冶;刘乾坤【摘要】In order to study the slamming problem of a horizontal circular cylinder, a numerical water tank was set up. While water was entering a neutrally buoyant circular cylinder, the volume of fluid ( VOF) method coupled with the dynamic mesh method was used to simulate the liquid-gas multiphase flow and the cylinder motion. Free surface deformation such as jet formation, movement, and the air cushion effect was captured; vertical motion of the cylinder was predicted and the turbulent effect of the water-entry into the cylinder was discussed. Favorable agreement was obtained between computational results and the datas of the experiments. The cylinder motion was also predicted accurately by the computation and the turbulent effect was not significant during the water-entry into the cylinder.%为了研究水平圆柱砰击入水问题,建立了数值水池,应用VOF结合动网格技术的方法对零浮力水平圆柱入水过程的气液两相流动和刚体运动耦合的问题进行了数值模拟.捕捉了圆柱入水过程中射流的形成、运动和空气垫效应等自由表面的变化现象,模拟了圆柱竖直运动过程；讨论了湍流粘性对圆柱入水的影响.结果表明:圆柱入水的数值模拟结果和实验数据符合很好；圆柱运动轨迹同样和实验吻合；湍流粘性对圆柱入水过程影响很小.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2011(032)011【总页数】4页(P1439-1442)【关键词】VOF方法;动网格;入水冲击;圆柱【作者】陈宇翔;郜冶;刘乾坤【作者单位】哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U663.2物体入水现象如船舶航行砰击、水上飞机降落、空投鱼雷入水及垮塌桥梁落水广泛存在于自然界.物体入水问题是典型的非线性问题，其入水过程特别是初始瞬间物体会受到巨大的冲击载荷，以风浪中航行的船舶为例，船体砰击会造成船体的震动、减缓船速，严重的话还会导致结构损坏;空投入水的鱼雷则可能因为入水冲击造成鱼雷结构损坏、弹道失控等严重问题.物体入水问题在现代许多军事及民用领域的广泛存在及其重要性激发了众多科学家及工程人员的研究热情［1］.因为圆柱、楔等形状结构简单，常可作为所需研究物体的简化外形，所以研究者们常常以它们作为研究对象.20世纪90年代早期以前，大部分的研究者［2-4］均基于势流理论假设研究过楔等形状物体的入水问题.然而，边界元方法在处理复杂自由表面问题方面不够强健［5］.自1981年Hirt与 Nichols［6］等提出 VOF方法以来，带自由表面的两相粘性不可压缩流体运动的数值计算技术得到了迅速的发展.近30年来，VOF方法在数值计算物体入水领域得到了广泛的应用.Arai［7］假设流动为无粘不可压流动，应用VOF方法对二维楔、圆柱、船艏的砰击入水问题进行了模拟;Schumann［8］用类似的方法模拟了艏的砰击入水.Xing-Kaeding［9］基于VOF方法，应用Comet软件对二维水平圆柱的粘性不可压出入水运动进行了模拟，取得了与实验结果符合较好的结果.本文应用Fluent软件中的VOF方法结合动网格技术对二维圆柱的入水问题进行了数值模拟计算，实现了圆柱运动的刚体动力学方程和气液两相流动的N-S方程的耦合求解.本文数值模拟计算结果与Greenhow 和Lin［10］的实验对比表明，圆柱入水的重要现象如飞溅现象、空气垫效应［11］等自由表面形状的变化得到了很好的呈现，圆柱运动轨迹得到了很好的追踪.同时，还对粘性对圆柱入水运动问题的影响进行了研究.1 问题的描述及数值水池的建立如同文献［10］中Greenhow和Lin设计的实验，一个直径11 cm的零浮力(neutral buoyancy)水平圆柱由静水上方某一确定位置自由落体进入水池中.而且当圆柱在接触水面的瞬间，其速度为3.13 m/s，随后圆柱继续向下运动直至到达水深为30 cm处.由以上描述的问题，本文建立了一个宽60 cm，高60 cm(水深30 cm)的二维数值水池.为准确地捕捉圆柱入水冲击引起的自由表面变化等重要现象，整个计算区域采用正交四边形网格，为此在圆柱边界采用阶梯近似［12］处理，并对圆柱附近的网格进行了加密处理，见图1.圆柱边界应用无滑移壁面边界条件，水池上边界应用压力出口边界.为了节省计算网格并尽可能模拟真实流动区域，采用文献［9］中的方法，水池的左右边界(包括静水和空气区域)应用UDF定义边界条件使压力保持为自由表面未变化前的静压;水池下边界应用速度为零的速度入口边界条件.图1 圆柱入水问题计算网格Fig.1 Numerical grid for the circular cylinder waterentry case2 理论基础和计算方法圆柱入水问题是复杂的两相流体流动和固体运动的耦合过程.圆柱的入水冲击会突然改变两相流场中水的压力场和速度场，而流场的改变同时又会反作用来影响圆柱的运动.本文中，有限体积法被用于计算存在自由表面的粘性不可压两相流体流动;二维圆柱视为刚体，其在落水过程中为一自由度(1DOF)运动，流场形状随时间变化，需要应用动网格.2.1 流体流动与刚体运动方程式中:V是流体运动速度矢量，Vb是有限体积即网格单元表面的运动速度.动量方程为对于每一个有限体积单元，连续性方程为式中:T为粘性应力张量，I为单位张量，b为体积力矢量.当网格单元移动或改变形状时，有限体积单元满足空间守恒律:由于自由表面的形状和位置是未知的，需要由求解过程给出，因此数值求解带自由表面的两相流动问题变得十分困难.为了模拟有自由表面的两相流流动，本文应用VOF(volume of fluid)方法.VOF是一种捕捉自由表面的方法，它同时对水和空气建立控制域，通过求解附加的方程来捕捉自由面，这种方法在处理复杂的自由表面流动问题具有很大优势.引入的附加体积分数输运方程:式中:c=Vl/V为液相体积分数.VOF方法将0＜c＜1的两相混合流体处理为单相流，认为其有同样的压力和速度值.其物性参数如密度处理为由牛顿第二定律，流体中运动的圆柱刚体动力学方程为式中:VC为运动时的圆柱重心的速度矢量.2.2 网格运动方案为了适应由于圆柱的刚体运动而不断改变的流场形状，需要应用动网格模型.为了获得很好的数值解，特别是在对于圆柱入水冲击引起的的强非线性自由表面变化模拟的情况下，需要很好的网格质量，因此本文采用整体网格移动而不变形的方案［13］.本文应用Fluent的动态层模型，由定义整个流动区域和圆柱为刚体区域，而将数值水池上下边界定义为静止区域来实现网格整体运动而不变形.每一当前时间步的网格运动速度为上一时间步网格速度与当前时间步圆柱所受的两相流体压力、粘性力以及自身重力所引起的速度增量之和.2.3 计算方法本文中，PISO算法用来耦合速度场和压力场;VOF两相流模型的自由面重构方法用来捕捉自由表面的变化情况;对于流场中的湍流的描述则采用标准k-ε两方程模型和壁面函数法;压强差值采用PRESTO!差分格式.3 计算结果及分析本文应用之前描述的Fluent动网格技术结合VOF方法对二维零浮力水平圆柱入水问题进行了计算，对比分析了数值计算结果与实验结果，并且对于粘性对圆柱入水运动的影响进行了分析.3.1 自由表面的变化圆柱入水的瞬间，改变了其周围压力等流场参数，圆柱的速度突然下降，而同时与其接触的水相应地被突然加速，在圆柱两侧激起两股射流，射流向斜上方上升直至其变得不稳定.由于重力的影响，随着时间的发展，射流形状由直线逐渐弯曲向下. 图2 零浮力圆柱入水自由表面变化:实验(左)和数值(右)结果对比Fig.2 Free surface deformation of a neutrally buoyant cylinder water-entry:simulation(right)and experiment(left)在圆柱入水的过程中，一些空气也随同圆柱一起被压入水中，会形成所谓的＂空气垫＂.由于圆柱底部倾角较大，导致底部的空气逃逸较多，可压缩空气垫主要存在于圆柱两侧，将圆柱两侧表面与水隔开，随着圆柱入水深度的不断增加，空气不断排出，圆柱的沾湿面积不断增加.为了方便比较观察实验照片和数值计算结果，图2给出了5个不同时刻实验和数值模拟的水池自由表面变化情况对比图.由图2可知，本文计算的零浮力圆柱入水过程自由表面变化情况和实验对比符合很好，成功地模拟显示了圆柱入水冲击引起的水射流形成、行进、弯曲以及入水圆柱周围的空气垫等自由表面的变化现象.3.2 圆柱的刚体运动进入水池之前，圆柱在空气中自由下落，在气流场中受到的阻力较小.圆柱接触水面的瞬间，两相流场中的水由于圆柱的冲击被大大加速，压力场、速度场特别是圆柱附近的压力分布突然改变.相应地，圆柱受到流场很大的阻力(包括压差阻力、摩擦阻力)，速度大大降低.图3给出了圆柱入水过程的无量纲阻力(流场数据积分得到的入水阻力与重力的比值)与时间的关系，零时刻圆柱受到很大的一个冲击力，而随着时间的进行，进入水中的圆柱周围的压力分布逐渐均匀，圆柱速度越来越慢，阻力的变化逐渐平缓.图3 圆柱入水过程的无量纲阻力时间曲线Fig.3 Time histories of non-dimensional drag force during cylinder water-entry图4 圆柱竖直运动时间曲线Fig.4 Time histories of vertical motion of the cylinder图4给出了圆柱入水过程没入水中的圆柱位置(y轴坐标为入水后圆柱底部最低点的位置)和入水时间关系曲线，随着圆柱在水中的下降，圆柱受到的阻力不断减小，速度也逐渐降低，因此圆柱位置的变化曲线也逐渐平缓.由图4中的曲线与实验记录的数据点对比可知，数值解同样和Greenhow和Lin的实验相当吻合(图中偏差较大、标记问号的一个点同时也是实验中认为存在问题的数据点).3.3 粘性对入水圆柱运动的影响由于水的粘性，入水过程中圆柱除了受到由于两相流场的压力场分布不均带来的压差阻力，还受到粘性引起的摩擦阻力.图5 圆柱入水竖直运动过程时间曲线(湍流和无粘流)Fig.5 Time histories of vertical motion of the cylinder during cylinder water-entry(turbulence and without turbulence model)图6 圆柱入水过程的无量纲阻力(湍流和无粘流对比)Fig.6 Time histories of non-dimensional drag force during cylinder water-entry(turbulence and without turbulence model)为了考察粘性对圆柱入水问题的影响，本文计算了无粘流模型下的圆柱入水过程，并与之前基于湍流模型的数值计算结果进行比较.图5、6分别给出了基于湍流模型和无粘流模型计算的圆柱入水过程圆柱运动轨迹和圆柱所受阻力时间曲线.可以看出，2种模型的数值模拟结果基本一致，所以入水过程中圆柱主要受气液两相流场压力分布不均引起的压差阻力，而其所受的摩擦阻力对圆柱入水过程受力和圆柱运动轨迹影响较小.4 结束语本文以Fluent软件为计算工具，应用VOF结合动网格技术的数值方法对水平圆柱入水过程气液两相流动和圆柱刚体运动问题进行了模拟，数值模拟的自由表面变化过程以及圆柱的刚体运动轨迹与经典文献的实验符合得很好.从中可以看出，本文应用的数值方法可以用来模拟物体入水特别是伴随着强非线性自由表面变化的问题，而之前常应用的边界元方法不能精确模拟此类问题;本文的数值方法可以应用来计算物体入水所受的冲击力，进而对物体如船体结构的设计提出指导意见和提供参考数据.参考文献:【相关文献】［1］王永虎，石秀华.入水冲击问题研究的现状与进展［J］.爆炸与冲击，2008，28(3):276-282. 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水滴运动的数学模拟

水滴运动的数学模拟水是自然界中最为简单、最为普遍的物质之一。

几乎所有的生物和岩石都有水的存在，而且它还是地球上最为重要的溶剂。

在我们的日常生活中，水有着非常广泛的应用，例如饮用、洗涤、游泳、浇灌等等。

水还有一个非常有趣的现象：水滴运动。

水滴可以滚动、落下、溅起、被风吹动等等，这些都是水滴运动的表现。

水滴运动的数学模拟就是通过数学方法和计算机技术来模拟和仿真水滴运动的各种表现。

这种模拟可以使我们更好地理解水滴的运动规律和特点，还可以在各种实际应用中起到重要的作用。

例如，在工程设计中，通过对水滴运动的模拟可以更好地设计雨水排放系统、水流防护措施等等。

下面，我将从数学的角度来探讨水滴运动的数学模拟的原理、方法和应用。

一、水滴运动的原理要了解水滴运动的数学模拟，我们首先要了解水滴运动的原理。

水滴的运动是由外力和内力共同作用的结果。

首先，外力包括重力、惯性力、表面张力等等。

当水滴处于平衡状态时，这些外力相互平衡。

但当水滴不再处于平衡状态时，这些外力就会产生作用。

例如，当水滴受到重力作用时，它就会滑动、滚动或跳动；当水滴受到风的作用时，它就会被吹动。

除了外力之外，内力也对水滴的运动有影响。

例如，在水滴表面存在着表面张力，在水滴内部存在着粘滞性等等。

这些内力可以影响水滴的形状、动态和稳定性。

因此，在进行水滴运动的数学模拟时，必须要综合考虑外力和内力的作用，并建立相应的数学模型。

二、水滴运动的数学模拟方法水滴运动的数学模拟方法主要包括数值方法和解析方法。

其中，数值方法是通过离散化的方法将水滴的形态和运动状态转化为数学式子，然后用计算机来求解。

而解析方法则是通过分析水滴的物理规律来直接得到水滴的形态和运动状态。

数值方法主要包括有限元法、有限差分法、质点流体力学方法等等。

其中，有限元法和有限差分法是比较广泛应用的数值方法，它们能够计算复杂形态的水滴。

而质点流体力学方法则是一种基于粒子追踪和流体动力学原理的方法，可以非常精确地模拟水滴的各种运动。

反重力水滴方案

反重力水滴方案引言在自然界中，水滴一般都会受到重力的影响，沿着垂直方向下落。

然而，随着科技的发展，人们渐渐发现了一种神奇的现象——反重力水滴。

反重力水滴指的是在外力作用下，水滴能够逆流或者悬浮。

这一现象引起了科学家们的兴趣和探索，他们通过研究反重力水滴，希望可以从中获得更深入的物理学知识，并且探寻潜在的应用领域。

本文将介绍反重力水滴的原理、实验方法和应用展望。

原理反重力水滴的原理涉及到两个基本原理：电磁力和表面张力。

电磁力作用在实验中，通过使用电磁力可以实现对水滴的控制。

利用恰当的电磁场参数，可以使得水滴受到的重力和电磁力相等，从而水滴可以悬浮在空中或者逆向运动。

表面张力作用表面张力是指液体分子表面的一种现象，即液体表面上的分子之间存在引力。

当水滴受到外力作用时，液体表面会产生变形，并且会生成对抗外力的内部应力。

通过控制表面张力，可以使得水滴保持在特定形状，从而实现反重力效果。

实验方法为了实现反重力水滴效果，可以按照以下步骤进行设计和实验：1.材料准备–电磁场发生器–水滴生成器–容器–控制系统2.搭建实验装置–将电磁场发生器固定在容器底部，并设置适当的电磁场参数。

–在容器中安装水滴生成器，并且确保其位置与电磁场保持一定距离。

3.生成水滴–通过水滴生成器，控制滴水的速度和大小。

–确保生成的水滴在附近产生的电磁场的作用下可以悬浮或者逆向运动。

4.调节参数–调节电磁场参数，使得水滴能够在特定位置悬浮或者逆向运动。

–根据实验观察结果，逐步调整电磁场参数和水滴生成条件，以达到最佳效果。

5.数据记录与分析–记录实验过程中的电磁场参数、水滴生成条件和水滴运动状态。

–通过分析实验结果，寻找反重力水滴现象的规律和特点。

应用展望反重力水滴作为一种新颖的物理现象，具有广阔的应用前景。

以下是一些可能的应用领域：1.微重力实验反重力水滴可以模拟微重力环境，为航天器、太空站等微重力实验提供更好的条件。

通过悬浮的水滴，科学家可以研究物体在微重力环境下的行为和性质。

vof模拟案例

vof模拟案例
VOF模拟案例是一项涉及流体力学领域的数值模拟技术，通过解决Navier-Stokes方程来模拟液体和气体的运动。

该技术广泛应用于航空航天、汽车工业、化工、医学等领域中的流体流动和传热问题的仿真和优化。

例如，在飞机设计中，VOF模拟可以帮助工程师分析空气流动，从而改进机翼和引擎的设计，提高飞机性能和燃油效率。

在医学研究中，VOF模拟可以用于模拟血液在血管中的流动，以帮助医生诊断和治疗心血管疾病。

VOF模拟需要高度精确的数值计算和大量的计算资源，因此在实际应用中需要专业的计算机软件和硬件配合使用。

但是，随着计算机技术的不断发展和进步，VOF模拟将在更广泛的领域中得到应用和推广。

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