[发明专利]用于预测雾化过程的大涡模拟方法

说明书

本发明公开了一种用于预测雾化过程的大涡模拟方法，基于真实速度场构造虚拟的液相速度场，并将构造的液相速度场应用于流动控制方程和界面输运方程的求解，模拟气液两相流的实时动态过程，以准确预测液滴破碎过程和液体射流的雾化过程。本发明提高了两相流模拟的计算精度和稳定性，可以准确计算和预测液滴的破碎过程和液柱射流的雾化过程。

技术领域

本发明涉及流体控制领域，特别地，涉及一种用于预测雾化过程的大涡模拟方法。

背景技术

在发动机燃烧室内，液体燃料的雾化决定了燃料与空气的混合效果，进而影响燃烧性能。雾化过程非常复杂，多种不稳定性(Kelvin-Helmholtz instability,Rayleigh-Taylor instability,Plateau-Rayleigh instability)同时存在，并伴有强烈的湍流，使得理论分析不具可行性。关于雾化已开展了大量的试验研究，但是由于雾化过程形成的液雾遮挡了液柱初始破碎过程，在观察和测量上造成了很大的困难。自从二十世纪七十年代，两相流的数值仿真取得了很大的进步，加深了对雾化机理的认识。

流体计算力学方法分为三种：雷诺平均方法，大涡模拟，直接数值模拟。雷诺平均方法只求解平均速度场，模化湍流运动对流场的影响。大涡模拟求解大尺度涡结构，模化小尺度涡结构对流动的影响。直接数值模拟求解所有尺度的涡结构。雾化过程中，湍流中的大尺度涡可扰动两相流界面，显著地影响液体射流的破碎过程，限制了雷诺平均方法的应用。由于大涡模拟的计算量比直接数值模拟小很多，大涡模拟更适合工程应用。

为了精确求解液柱和液滴的破碎过程，需跟踪液气界面。流行的界面跟踪方法有：Volume of fluid(VOF)，Level Set(LS),Coupled LS and VOF(CLSVOF)。其中，VOF方法(流体体积法)在20世纪70年代末由Hirt和Nichols等最先提出，基本思想是在欧拉网格系统上定义一个函数，根据每个网格内所含某种物质的体积量来定义在此网格上的值，然后用体积跟踪的方法求解方程，VOF方法可以精确地保证质量守恒，但是VOF函数的不连续性导致界面的构造很复杂且容易破碎。LS方法(水平集方法)可以很容易地构造界面，但是所得界面包围的液体质量不守恒。CLSVOF方法(水平集复合流体体积方法)可以很好地结合VOF和LS方法的优点，得到了广泛的应用。

由于液气界面两侧密度和流体粘性系数的不连续性，在求解控制方程时，常规的数值离散方法误差大，并造成算法的不稳定，液气密度比越大，算法越不稳定。为了得到收敛的结果，很多已发表的文献在数值仿真中采用较低的液气密度比，但是大多数雾化试验是采用高密度液体(如水、煤油、酒精)在大气环境中进行的，具有较高的液气密度比，现有技术无法将数值仿真结果与实验结果进行比较。因此，现有的两相流大涡模拟存在算法复杂、且外延液体速度不满足连续性方程，离散数值误差大等问题导致无法准确预测液滴破碎过程和液体射流的雾化过程的缺陷。

发明内容

本发明提供了一种用于预测雾化过程的大涡模拟方法，以解决现有两相流模拟方法导致的两相流液滴破碎及液体射流的雾化过程难以准确预测的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于预测雾化过程的大涡模拟方法，本发明方法基于真实速度场构造虚拟的液相速度场，并将构造的液相速度场应用于流动控制方程和界面输运方程的求解，模拟气液两相流的实时动态过程，以准确预测液滴破碎过程和液体射流的雾化过程。

进一步地，本发明用于预测雾化过程的大涡模拟方法包括：

步骤S10，根据水平集LS函数Φⁿ表示两相流界面，通过真实速度场Uⁿ和液相速度场U^{L n}求解两相流控制方程，获得下一时间步对应的真实速度场Uⁿ⁺¹；

步骤S20，通过外延方法构造n+1时间步的液相速度场U^{L n+1}；