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文件

验证案例:呼吸泡沫

该验证案属于流体动力学,该测试案例的目的是验证在SIMSCALE中实现的多相求解器,并使用上升泡罩。具体地,以下参数感兴趣:

  • 泡沫垂直速度
  • 泡沫质量
  • 泡沫简介

SimScale的模拟结果与研究中提出的结果进行了比较“泡沫基准“\(^ 1 \)由tu dortmund完成。

几何学

感兴趣的领域是二维矩形空间,尺寸如下:

用于上升泡泡验证案件的网格顶视图
图1:二维矩形流体域

宽度AB,CD为1 \(m \),而高度AD,BC为2 \(m \)。

为了模拟目的,用仿真blockmesh.在OpenFoam®中的工具,稍后可以在以下部分找到其详细信息。

分析类型和网格

工具类型:OpenFoam®.

分析类型多相

网格和元素类型

如前所述,网格是用的blockmesh.工具。这是一个均匀的网格,仅在z轴上具有一个细胞层,这是为了保持二维流动。

网格类型 细胞数量S. 类型
snappyhexmesh. 28800 2D Hexahedral.
表1:网格设置
用BlockMesh创建的均匀六面射出网格用于上升泡泡验证案例
图2:用BlockMesh创建的Z轴中的流体域的均匀六面曲线网,其中Z轴1层

模拟设置

体液

  • 情况1:
    • 重力\((g)\):0.98 \(m / s ^ 2 \)
    • 表面紧张\((\ sigma)\):24.5 \(n / m \)
    • 材料1:
      • 运动粘度\((\ nu)\):0.01 \(m ^ 2 / s \)
      • 密度\((\ rho)\):1000 \(kg / m ^ 3 \)
    • 材料2:
      • 运动粘度\((\ nu)\):0.01 \(m ^ 2 / s \)
      • 密度\((\ rho)\):100 \(kg / m ^ 3 \)
  • 案例2.
    • 重力\((g)\):0.98 \(m / s ^ 2 \)
    • 表面紧张\((\ sigma)\):1.96 \(n / m \)
    • 材料1:
      • 运动粘度\((\ nu)\):0.01 \(m ^ 2 / s \)
      • 密度\((\ rho)\):1000 \(kg / m ^ 3 \)
    • 材料2:
      • 运动粘度\((\ nu)\):0.1 \(m ^ 2 / s \)
      • 密度\((\ rho)\):1 \(kg / m ^ 3 \)
  • 在t = 0 \(s \)处的气泡位置在Y = 0.5 \(m \)处。

初始和边界条件

  • 初始条件

仅初始化全局相位分数并设定为1的值,这是气泡周围的流体。

  • 边界条件

为了模拟上升泡沫现象,使用定制边界条件。边界条件的具体设置可以在下表中看到:

范围 顶部和底部 左和右 正面和背面
速度 固定值 - 0 \(m / s \) 空2D.
压力 固定磁通压 - 0 \(PA \) 固定磁通压 - 0 \(PA \) 空2D.
相分数 零梯度 零梯度 空2D.
表2:每个平行面的自定义边界条件

参考解决方案

质量中心的参考解决方案和上升速度由以下等式给出:

$$ x_c =(x_c,y_c)= \ frac {\ int _ {\ oomega_2} x \,dx} {\ int _ {\ oomga_2} 1 \,dx} \ tag {1} $$

$$ u_c = \ frac {\ int _ {\ oomga_2} u \,dx} {\ int _ {\ oomega_2} 1 \,dx} \ tag {2} $$

在哪里:

  • \(x_c \):泡沫中心的x-和y坐标
  • \(\ omega_2 \):气泡所在的区域\(^ 1 \)
  • \(U_C \):泡沫的速度上升
  • \(U \):泡沫中心的速度

结果比较

质谱中心的比较和从SIMSCALE获得的泡沫的上升速度与从“的参考结果”泡沫基准“\(^ 1 \)如下图所示:

在SIMSCALE和参考研究之间对泡沫的肿块中心的比较
图3:SIMSCALE和参考研究结果之间的每种情况的颞象级别
比较SIMSCALE与参考研究之间每种情况的泡沫上升的速度
图4:SimScale和参考研究结果之间的每种情况的时间上升速度比较

可以在下面的动画中看到气泡的运动:

案例1的上升泡沫的动画
动画1:案例1上升泡泡变形
案例2上升泡泡验证案例的动画
动画2:案例2上升气泡变形

最后更新:2021年5月20日

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