[发明专利]一种高精度的两相流体界面捕获方法

说明书

技术领域

本发明涉及自适应非结构化三角形网格生成及两相界面构造方法，尤其涉及一种高精度的两相流体界面捕获方法。

背景技术

两相或多相流动广泛存在于自然界及工程中，随着计算机技术的快速发展，数值模拟已经成为研究多相流动的有效方法。在研究气液/液液两相流动时，由于存在运动的相界面，同时在自由界面上流体物性和流动状态可能发生剧变，所以考虑相界面的变形和位移以及界面的处理就显得至关重要，能否精准捕捉两相界面关系到整个流场计算的正确性和合理性。VOF(Volume ofFluid)方法作为一种界面捕捉类方法，由于其较好地满足质量守恒特性该方法已经被广泛地应用于多相流体数值模拟。现有的关于相界面捕获的VOF方法研究大多是基于结构化网格上的，然而实际问题中经常遇到复杂的几何区域，由于结构化网格的适用范围有限，当计算区域不规则的时候，非结构化网格可以适应各种形状的计算区域，发展基于非结构化网格的VOF方法，可以有效模拟复杂计算区域中的多相流动，比结构化网格具有更加普遍的适用性，因此发展基于非结构化网格的界面捕获算法非常重要。

发明人前期研究工作中开展了基于非结构化网格的SLIC-VOF方法(可参考HUANG M.，CHEN B.，WU L.L.A SLIC-VOF method based on unstructuredgrid.Microgravity Science and Technology，2010，22(33)：305-314)，发现对于基于非结构化网格上的多相流动界面捕获方法，网格的质量以及网格对于界面的自适应性会直接影响计算结果的精度。尽管气泡堆积法生成的高质量非结构化网格使得基于非结构化网格上的VOF方法计算的精度得到了显著的改进，但由于相界面构造算法本身的精度问题，捕获的相界面不够光滑。为了提高所捕获界面的精度构建较为光滑的相界面，可以通过以下两方面的改进：1)增加计算区域内网格数量；2)发展高精度的界面构造方法。对于网格单元数量的增加，如果是增加整个计算区域内的网格数量，则需要额外的引入大量的计算资源，对于一般的计算机可能难以满足计算的要求，同时大量增加计算网格单元势必会降低程序的执行效率，然而在计算中我们最关心是两相流体的相界面位置区域，因此考虑仅仅将相界面处的网格单元进行加密，有必要发展一种适用于两相流的自适应非结构化网格生成方法。当前国内外学者已经开展关于自适应网格生成方法的研究并提出了相关的实施方法，但大多数是基于结构化网格上的算法，对于非结构化网格上的适用于两相或多相流动的自适应网格生成技术刚刚开始初步研究，如Ito等人在2010年提出了一种适用于气液两相流体的自适应非结构化网格技术，但在其提出的方法中需要反复地从细分前的双亲网格单元到细分后的子网格单元的对相函数等参数的插值分配，增加了算法的计算复杂性。

对于VOF高精度界面构造方法，国内外也有很多学者作出了自己的尝试，但是目前基于非结构化网格的界面重构方法仍然不多，研究人员主要针对两个方面进行发展和改进：界面的构造和流体的输运。界面的构造是计算流体输运和可视化的前提，现今较常见的是用一条具有任意斜率的线段逼近真实界面线，Barth在1995年提出了利用最小二乘法迭代求出线段位置的方法，得到了较广泛的应用，但是这样每次构造界面都要在网格上进行数次迭代计算，而精度提高有限；对于流体输运量的计算，鉴于非结构化网格的不规则性，很多学者避开了流量的欧拉格式计算而采用Mosso在1997年提出的欧拉-拉格朗日结合的方法计算流量，该方法可以达到较高的精度，但是要用到欧拉和拉格朗日两种格式，此外还涉及到复杂的几何计算。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种高精度的两相流体界面捕获方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)对计算区域进行建模，生成初始的高质量非结构化三角形网格，根据计算条件，对不同的流体相初始化VOF相函数F值，同时设置计算工况参数；

2)采用“预估-校正”的两步计算实现网格的自适应加密：首先计算VOF相函数F在流场中的传输预估下一时刻流体相界面的位置，进而对F∈(0，1)的相界面网格进行细分加密将高质量非结构化三角形网格细分为四个子网格，然后再在细分加密后的网格上重新计算得到在细分后网格上下一时刻相函数F的分布；

3)完成上述计算后，对流体全部流出或者全部充满指定相流体的四个子网格重新合并为一个网格单元，并计算该网格的相函数F值；

4)采用PLIC方法重新构造流体相界面；