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Openfoam模拟的CFD前沿研究分享

1月前浏览4283

文一:

波浪与浮动海上可再生能源结构相互作用的数值模拟:基于粒子的PIC模型与OpenFOAM的比较研究

摘要:

基于网格的欧拉和基于粒子的拉格朗日模型是模拟波浪-结构相互作用的常用计算流体动力学(CFD)工具。虽然欧拉模型在计算时间方面是有效的,但它们处理两个流之间的大界面不连续性和复杂结构运动响应的能力有限。相反,拉格朗日模型适用于这种不连续性和运动响应,但计算成本可能很高。然而,对于混合欧拉-拉格朗日模型的(dis)优势缺乏全面的讨论,该模型有可能通过网格和粒子的组合使用来实现数值效率和灵活性。本文对混合欧拉-拉格朗日粒子胞内模型(PIC)和广泛使用的OpenFOAM模型进行了比较研究,该模型适用于二维和全三维域中与浮动海上可再生能源结构的各种复杂波浪相互作用。我们发现,这两个模型在模拟复杂的浮式结构时都表现出良好的性能。此外,这是第一次在同一计算设备上并行比较这两个模型,使我们能够直接展示它们的计算效率。PIC模型具有使用交错网格的优点,这使其能够实现与基于纯网格的OpenFOAM相当的计算效率。这项研究的发现为计算流体动力学领域的研究人员和从业者提供了对混合欧拉-拉格朗日PIC模型和OpenFOAM在模拟复杂流体-结构相互作用问题中的性能的清晰理解。

 

图:一体化防波堤式WEC系统示意图。

 

图:边界面和曲面高程与边界面之间的交点草图,其中着色 区域为潮湿区域。

 

图:一体化防波堤式WEC系统示意图。

 

图:OpenFOAM中WEC-B系统结构周围的网格设置。

 

图:PIC模型中WEC-B系统结构周围的均匀固定网格。

 

图:将RAO作为kh的函数,并将CFD和实验结果进行比较。

 

图:通过PIC在(a1)13.00 s和(b1)13.20 s的实时时间以及通过OpenFOAM在(a2)13.00秒和(b2)13.20秒的实时时间对0.354 Hz的入射波频率的模拟,可见TLP模型圆柱体周围的波散射。

 

图:通过(a1)(b1)PIC和(a2)(b2)OpenFOAM在60 s的实时模拟,可见WEC浮标周围的波浪散射。


文二:

nccrFOAM套件:OpenFOAM框架中具有振动非平衡的稀薄和微尺度气体流动的非线性耦合本构关系求解器

摘要:

nccrFOAM套件是一个非线性耦合本构关系(NCCR)求解器的集 合,适用于具有振动非平衡的稀薄和微尺度气流,以及泡沫扩展框架中实施的守恒定律,该框架是一个具有通用公共许可证(GPL 3)的开源解算器。nccrFOAM解算器是作为dbnsTurbFoam解算器的扩展而开发的,通过实现应力张量和热通量矢量的非守恒量的附加代数本构关系。Navier-Stokes傅立叶(NSF)求解器采用一阶本构关系来计算非守恒量,因此在模拟高非平衡状态下的气体流动时存在明显缺陷,与此相反,二阶NCCR框架提供了一种新的替代方案,可以更好、更直观地模拟稀薄和微尺度的气体流动。除了单原子气体的求解器外,基于三维框架中的二阶本构模型,首次实现了具有平移旋转和振动自由度的双原子和多原子气体的解算器。为此,基于两个温度公式编写了一个新的泡沫扩展库,以处理平移旋转和振动模式。新的泡沫扩展求解器针对几个具有代表性的问题进行了验证,并记录了详尽的教程列表。该求解器肯定有利于稀薄和微尺度气体动力学以及对涉及高度稀薄、速度和温度变化的流动感兴趣的高超音速飞行技术社区。


问题的性质:

nccrFoam套件用于模拟具有振动非平衡的稀薄和微尺度气体流动,其中本构模型在非守恒变量(如应力张量、过应力(在非单原子气体的情况下)和热通量方面的二阶效应不再可忽略。求解方法:nccrFoam套件是基于泡沫扩展的dbns求解器的扩展,其中使用OpenFOAM框架中的张量运算,使用替代数值方法求解非守恒矩的代数关系。高温流的双温度公式是用多个振动弛豫模型和一个新的支持dbnsv库开发的。

 

图:用于两个温度公式的新dbnsv库的文件结构(关键字:矩形→ 文件夹,圆角矩形→ 文件、新写入的文件/文件夹的变暗图标)。

 

图:相空间速度剪切流问题中基于Boltzmann–Curtiss的二阶本构模型的拓扑结构。

 

图:使用nccrVibFOAM求解器对马赫数为10的氮气流量(Kn=0.05)使用一阶NSF和二阶NCCR获得的等值线的比较:a)压力(Pa);b) 转温(K);以及c)振动温度(K)。

 

图:使用一阶NSF(顶部)和二阶NCCR(底部)获得的原始变量轮廓的比较:a)x速度(m/s);b) 压力(Pa)和c)温度(K)。

 

图:域(和四分之一域)和边界条件的示意图。


文三:

陆上滑坡波浪的三维模拟:比较OpenFOAM和FLOW-3D HYDRO模型

摘要:

最近的破坏性滑坡海啸,如2018年的Anak Krakatau事件,再次提醒人们开发经过验证的三维数值工具,以准确模拟滑坡海啸并预测其危害。在这项研究中,我们对陆上固体块体滑坡产生的波浪进行了三维物理建模,并使用这些数据验证了两个数值模型:商业软件FLOW-3D HYDRO和开源的OpenFOAM包。这些模型是该领域科学家和工程师使用的主要建模工具类型(商业和开源)的关键代表。这项研究是为数不多的滑坡波浪三维物理和数值模型研究之一,也是首次对上述两种模型进行系统比较。我们表明,这两个模型准确地再现了物理实验,并在模拟滑坡产生的波浪时具有相似的性能。然而,他们采用不同的方法、机制和校准来完成任务。发现这两个模型的结果彼此相差大约10%。本指南帮助工程师和科学家实施、校准和验证滑坡产生的波浪的这些模型。本研究的有效性仅限于固体块体陆上滑坡及其在近场区的影响。

 

图:陆上滑坡海啸的几何和运动学参数。参数为:h,水深;aM,最大 波幅;a、 边坡角度;vs,滑动速度;ls,滑坡长度;bs,滑坡宽度;s、 滑坡厚度;SWL,静止水位;D、 行进距离(从滑动体的趾部到水面的距离);L、 波浪水槽的长度;W,波浪槽的宽度,H,波浪槽高度。

 

图:本研究物理实验的波浪水槽设置。b FLOW-3D HYDRO模型的数值模拟设置。c OpenFOAM模型的数值设置。物理波浪计的位置(在数值模拟中由数值波浪计WG-3表示)为X=1.03 m,Y=1.21 m,Z=0.046 m。d显示数值波浪计(WG-1、WG-2、WG-3、WG-4、WG-5)位置的俯视图。

 

图:FLOW-3D HYDRO(黑色)和OpenFOAM(红色)在近场区四个不同位置(WG-1、2、4和5)的模拟波形之间的比较。WG是波浪计的缩写。

 

图:两个数值模型FLOW-3D-HYDRO(a–c)和OpenFOAM(e–g)在不同时间固体块体陆上滑坡产生的水面高程的比较。


文四:

松弛效应在核燃料耦合计算中的应用-OpenFOAM 编码

摘要:

多物理耦合模拟在核反应堆的设计和运行中发挥着至关重要的作用,特别是在评估使用过的核燃料的行为方面。这项研究的重点是通过整合中子输运和热工水力学代码,探索对使用过的核燃料进行耦合计算的有效性。Neutronics计算使用蒙特卡罗代码Serpent进行,而热工水力学计算使用计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM。调查的重点是位于六边形冷却剂流动区域的VVER-440燃料销。生成了三个计算网格,包括15万、39万和110万个计算单元,以及以42、21和10个材料层为特征的三种轴向材料细化变体。目的是分析空间精细化对倍增因子、功率通量和温度场等关键参数的影响。系统地比较了Picard迭代中的几个松弛因子,以提高耦合过程的收敛速度。值得注意的是,没有松弛的模拟(𝛼 = 1) 导致预测结果出现振荡,而的低值𝛼 导致收敛缓慢。研究表明,与具有恒定松弛因子的情况相比,采用具有可变松弛因子的随机近似与不同数量的模拟粒子相结合,显示出优越的性能𝛼 或者具有恒定数量的模拟粒子的随机近似。此外,观察到轴向燃料分割的分辨率显著影响预测的倍增因子𝑘𝑖𝑛𝑓 以及温度分布。有趣的是,计算网格的空间分辨率对预测结果的影响最小。

 

图:VVER-440燃料针的计算域。

 

图:燃料棒燃耗曲线。

 

图:30次耦合迭代后的线性功率轴向剖面,(a)网格收敛研究,(b)轴向段研究,以及(c)松弛因子研究。

 

图:线性功率的相对误差(黑色虚线标记0.001)(a)网格收敛研究,(b)轴向段研究,以及(c)松弛因子研究。

 

图:在(a)第一次迭代和(b)第六次迭代后,粒子数量变化的随机情况下的功率密度等值线。

 

图:Serpent和OpenFOAM在迭代过程中的计算时间比较。

文五:

理想化沿海社区洪水缓解结构的数值模拟和评估: OpenFOAM 对水动力学和建筑物压力的模拟

摘要:

这项研究采用了一个计算流体力学(CFD)模型,利用 olaFlow 求解器来调查洪水缓解结构的功效,如海堤(SW)和水下防波堤(SB) ,在保护一个理想的沿海社区免受海啸般的波浪引起的陆上流动。数值模拟结果通过一系列大型实验室试验得到了验证。一系列的浪涌和波浪条件,包括非破碎,脉冲破碎,破碎波与海滨护堤相互作用,进行了研究。结果表明,模拟和实测的波浪水动力和加载参数,包括自由表面位移,速度,力和压力之间具有良好的一致性。在实验室实验的范围之外,数值模拟揭示了围绕宏观粗糙度元素的陆上流动模式的复杂性。这些模拟结果表明,地表水流通过宏观粗糙元,在向陆区中部形成速度较快、水位较低的射流式渠化水流。这项研究还阐明了类似海啸的波浪对第一排建筑物的影响,其最大升高高度是入侵波浪高度的2至4倍。此外,在破浪和破浪情况下,海堤和淹没式防波堤(SWSB)的联合安装分别使基线上升高度降低了10% 和45% 。相反,在非破碎波条件下,与基线结构相比,观察到20% 的增强放大。此外,该研究还探讨了受水位变化强烈影响的最靠近海岸的建筑物排上波浪诱导压力的垂直分布。在低水位条件下,最大压力从低到高呈线性下降趋势,与高水位条件下的显著增加形成对比。这些调查结果为沿海社区规划和复原战略提供了宝贵的见解,强调了在易受海啸样波浪事件影响的沿海地区采取量身定制的缓解措施的重要性。

 

图:波浪池设置和使用的仪器示意图:(a)平面图;和(b)剖面图,表示洪水情景下的组合配置。

 

图:模拟中使用的网格尺寸分布的横截面图和平面图。

 

图:测量和模拟的水力运动学的时间序列,包括(a–b)近海水面高程、(c–d)水流深度和(e–f)跨岸速度。

 

图:案例1中的瞬时模拟表面水平速度。

 

图:案例3中的瞬时模拟表面水平速度。

 

图:第一排建筑正面不同时刻的标准化模拟压力分布(虚线数据表示测量压力)。


来源:STEM与计算机方法
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著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-06-13
最近编辑:1月前
江野
博士 等春风得意,等时间嘉许。
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