一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，包括以下步骤：S1、建立三维液舱模型，对液舱进行网格划分，并设置液舱各面的几何边界条件；S2、对液舱中多相流的流体域进行设置，定义各相流体的初始位置；S3、构建用于模拟液舱晃荡的动网格模型，设置液舱六自由度运动属性；S4、对液舱晃荡的各项计算控制参数与模型属性参数进行设定；S5、计算程序运行求解并导出用于后处理的计算数据。本发明专利技术方法实现了多层流体的模拟及多液面的同时捕捉，实现了多层流体晃荡的模拟。实现了多层流体晃荡的模拟。实现了多层流体晃荡的模拟。

A simulation method of multi-layer fluid sloshing based on openfoam

【技术实现步骤摘要】
一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法


[0001]本专利技术属于多层流体晃荡
，具体涉及一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法。

技术介绍

[0002]液舱晃荡问题属于共振问题的一种，几乎任何储存具有自由表面液体的移动结构都必须考虑晃荡问题，它是指在有限区域内两种或两种以上互不相溶的流体，由于外部激励接近液体共振频率而引起的有限区域内液体剧烈运动。
[0003]CFD方法将流体力学控制方程以离散化的代数形式表示，通过计算机求解离散化后的代数方程组，获得时空间上点的数值解。通过CFD方法，获取液舱的运动与受力情况，能够作为带有液舱的海洋结构物的设计参考。
[0004]近年来，越来越多的浮式生产储油卸油平台(FPSO)被投入到海洋油气资源的开采当中。在海洋油气资源储卸油方式中，干式储油技术很大程度上限制了水下储油系统的有效储备量，因此油水置换湿式储油技术被广泛应用于油气开发平台上。但若将湿式储油技术应用于FPSO平台，其技术难点之一就在于平台内部储存的多层流体的晃荡现象，这对整个储油系统的结构设计和工艺设计都是一个巨大的挑战，因此有必要对浮式储油平台中存在的气
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油
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水多层流体晃荡现象进行研究分析。
[0005]然而，目前的液舱晃荡模拟研究主要集中在单层液体，对于单层液体的晃荡模拟研究技术已较为成熟，但对于双层液体甚至三层液体的晃荡研究起步较晚，迄今，一些研究者已基于势流理论对多层流体晃荡的运动机理进行了研究，相关的晃荡模型试验也有序进行，但针对多层流体晃荡的模拟研究较少。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，包括以下步骤：
[0009]S1、建立三维液舱模型，对液舱进行网格划分，并设置液舱各面的几何边界条件；
[0010]S2、对液舱中多相流的流体域进行设置，定义各相流体的初始位置；
[0011]S3、构建用于模拟液舱晃荡的动网格模型，设置液舱六自由度运动属性；
[0012]S4、对液舱晃荡的各项计算控制参数与模型属性参数进行设定；
[0013]S5、计算程序运行求解并导出用于后处理的计算数据。
[0014]进一步的，步骤S1中，建立三维液舱模型具体为：
[0015]在OpenFOAM中建立液舱模型，液舱由4个侧壁面、底面及顶面，共6个面围成；
[0016]设置构成液舱的8个节点坐标，定义液舱所处空间位置；
[0017]设置点位置矢量缩放因子，确定点位置数据单位，进一步确定液舱具体尺寸；
[0018]对液舱进行网格划分具体为，设置3个坐标轴垂直方向的网格数量及网格膨胀率，完成液舱内背景网格的设置。
[0019]进一步的，设置液舱各面的几何边界条件具体为：
[0020]除顶面外的其余5个面均设置为wall边界条件，对于顶面，若液舱顶部封闭，设置为wall边界条件，若液舱顶部开放，设置为patch边界条件。
[0021]进一步的，步骤S2具体为：
[0022]采用多层流体体积法实现多相流各流体域设定及多层液面同时捕捉；
[0023]设置未给定区域为空气相流体域，将空气相的相体积分数设置为1，其余相流体的相体积分数设置为0；
[0024]设置除空气相外的其余各相流体的流体域，确定多相流晃荡中各相流体所在位置；
[0025]将每一相流体所处流体域中，自身的相体积分数设置为1，其余相流体的相体积分数设置为0，完成各相流体的流体域的给定。
[0026]进一步的，步骤S3具体为：
[0027]基于OpenFOAM单方向线性简谐运动动网格求解器程序，开发实现六个自由度方向同时运动的六自由度简谐运动动网格求解器程序；
[0028]通过动网格功能，施加外部简谐激励，实现液舱的刚体简谐运动；
[0029]设置液舱结构重心，并设置液舱六自由度方向运动的运动幅值及运动圆频率，实现动网格的运动方式构建。
[0030]进一步的，步骤S4中，需要设定的各项计算控制参数与模型属性参数具体包括：
[0031]重力大小及方向、流体属性、湍流模型、控制参数、并行参数、矩阵求解器以及离散格式。
[0032]进一步的，步骤S4具体为：
[0033]设置重力的大小及重力方向；
[0034]设置各相流体的具体流体属性，包括运动粘度、流体密度、表面张力系数以及是否为牛顿流体；
[0035]湍流模型设为层流假设、雷诺平均或大涡模拟；
[0036]根据选用的湍流模型不同，需设置不同的物理边界条件，层流假设需要设置初始速度场、初始压力场及各相流体相体积分数边界条件，雷诺平均需要在层流假设的物理边界条件基础上追加设置湍流脉动动能、湍流耗散率及湍流粘度边界条件，大涡模拟需要在层流假设的物理边界条件基础上追加设置湍流脉动动能、湍流粘度及模型中间变量边界条件；
[0037]将选用的CFD求解器设置为OpenFOAM的multiphaseInterFoam求解器，并设置用于该求解器的控制参数，包括计算开始的物理时间、计算结束的物理时间、计算的时间步长、计算结果输出的时间间隔以及计算数据输出的格式；
[0038]设置后处理计算工具，采用probes探针工具记录壁面某点处压力场数值，采用基于interfaceHeight界面高度工具开发的用于动网格界面高度记录的工具movingInterfaceHeight记录各相流体的液面高度数据；
[0039]设置并行计算使用处理器数，并设定区域分解方法，完成并行运算的区域划分；
[0040]设置各物理量采用的离散矩阵求解器、NS方程求解算法及NS方程各项的离散方式。
[0041]进一步的，步骤S5具体为：
[0042]程序运行求解，输出用于后处理的数据结果；
[0043]后处理结果分为两个部分，一部分为postProcess后处理计算工具结果，包括液面高程及壁面压力；另一部分为模拟的场结果；
[0044]通过ParaView实现后处理数据的可视化。
[0045]进一步的，开发实现六个自由度方向同时运动的六自由度简谐运动动网格求解器程序具体为：
[0046]在oscillatingLinearMotion动网格程序基础上开发harmonicMotion动网格程序，包括：
[0047]建立头文件harmonicMotion.H，在头文件中定义动网格六自由度运动所需的各项参数，包括结构重心矢量1个、六自由度运动幅值标量6个、六自由度运动圆频率标量6个，共13个参数；
[0048]建立定义文件harmonicMotion.C，在成员函数transfor本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立三维液舱模型，对液舱进行网格划分，并设置液舱各面的几何边界条件；S2、对液舱中多相流的流体域进行设置，定义各相流体的初始位置；S3、构建用于模拟液舱晃荡的动网格模型，设置液舱六自由度运动属性；S4、对液舱晃荡的各项计算控制参数与模型属性参数进行设定；S5、计算程序运行求解并导出用于后处理的计算数据。2.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，其特征在于，步骤S1中，建立三维液舱模型具体为：在OpenFOAM中建立液舱模型，液舱由4个侧壁面、底面及顶面，共6个面围成；设置构成液舱的8个节点坐标，定义液舱所处空间位置；设置点位置矢量缩放因子，确定点位置数据单位，进一步确定液舱具体尺寸；对液舱进行网格划分具体为，设置3个坐标轴垂直方向的网格数量及网格膨胀率，完成液舱内背景网格的设置。3.根据权利要求2所述的一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，其特征在于，设置液舱各面的几何边界条件具体为：除顶面外的其余5个面均设置为wall边界条件，对于顶面，若液舱顶部封闭，设置为wall边界条件，若液舱顶部开放，设置为patch边界条件。4.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，其特征在于，步骤S2具体为：采用多层流体体积法实现多相流各流体域设定及多层液面同时捕捉；设置未给定区域为空气相流体域，将空气相的相体积分数设置为1，其余相流体的相体积分数设置为0；设置除空气相外的其余各相流体的流体域，确定多相流晃荡中各相流体所在位置；将每一相流体所处流体域中，自身的相体积分数设置为1，其余相流体的相体积分数设置为0，完成各相流体的流体域的给定。5.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，其特征在于，步骤S3具体为：基于OpenFOAM单方向线性简谐运动动网格求解器程序，开发实现六个自由度方向同时运动的六自由度简谐运动动网格求解器程序；通过动网格功能，施加外部简谐激励，实现液舱的刚体简谐运动；设置液舱结构重心，并设置液舱六自由度方向运动的运动幅值及运动圆频率，实现动网格的运动方式构建。6.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，其特征在于，步骤S4中，需要设定的各项计算控制参数与模型属性参数具体包括：重力大小及方向、流体属性、湍流模型、控制参数、并行参数、矩阵求解器以及离散格式。7.根据权利要求6所述的一种基于OpenFOAM的多层流体晃荡的模拟方法，其特征在于，步骤S4具体为：设置重力的大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓晨，曹伟楠，焦甲龙，李晓明，卢洪超，陈超核，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：