[发明专利]一种基于界面压缩的模拟多相流界面捕获方法

说明书

本发明公开了一种基于界面压缩的多相流界面捕获方法，属于计算流体力学领域，提高了多相流扩散界面法的计算精度，能够用于模拟复杂界面变形的多相流问题。本发明在基于Cahn‑Hilliard模型的相分数输运方程中添加对流压缩项，采用不同的时间和空间离散格式求解，从而在不同时刻确定相场序参数的分布情况，实现对多相流界面的捕获。本发明通过有效地控制引入的对流压缩项的作用范围以及压缩率的大小，合理抑制界面耗散现象的发生，进而提高了界面的捕获精度，达到了模拟多种复杂多相流问题的目的。

技术领域

本发明属于计算流体力学领域，尤其涉及一种基于界面压缩的多相流界面捕获方法。

背景技术

多相流现象广泛存在于自然界和现代工业生产过程中，与人类的生活和生产密切相关。目前，在化工、能源、环保和轻工等行业的许多生产设备中都涉及多相流动工况。其中多相流的界面分布情况，极大地影响着多相流的流动和传热传质特性，同时影响着流动参数的准确测量和多相流系统的运行特性。由于其流动状态复杂，进行模型试验的难度较大，因此目前主要采用计算流体力学(CFD)的方法进行研究。随着计算机技术的不断发展，CFD方法成本低、效率高的特点也更加突出，因此在理论研究和工程应用中受到广泛关注。

传统的多相流界面捕获方法有流体体积法(VOF)、水平集法(LS)和界面追踪法(FT)等，但近年来，扩散界面法(DIM)成为另一种应用广泛的数值计算方法。相比于传统方法，DIM通过扩散界面层对多相介质属性进行光滑地过渡，可对大密度/粘度比问题展开研究。同时，其相分数输运方程来源于经典的热力学理论，因此在涉及能量变化的复杂界面问题计算时更加准确。

但目前，DIM在界面捕获过程中出现明显的界面耗散现象，多相介质间相互掺混，使得界面层变厚且模糊不易捕获，这种非物理现象在高雷诺数的复杂多相流动问题中尤为突出。因此，有必要引入一种界面压缩的多相流界面捕获方法来提高其计算精度，以满足当前界面捕获问题研究的需求。

发明内容

本发明提供了一种基于界面压缩的多相流界面捕获方法，通过引入界面压缩的方法，提高了多相流扩散界面法的计算精度，能用于模拟复杂界面变形的多相流问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于界面压缩的多相流界面捕获方法，包括：

对于不可压多相流动问题，基于Cahn-Hilliard模型的相分数输运方程为：

其中C是相场序参数，是哈密顿算子，t是时间，u是流体速度，M是迁移率，φ是化学式能，其来源于自由能密度模型，其方程为：

其中f是单位体积的总自由能，ε是和界面厚度相关的参数，σ是表面张力系数，是容积能量密度。方程右边第二项为界面区域多余的自由能，α设为因此，化学势能φ可表示为自由能的变化率：

F＝∫fdV

由于扩散项和数值离散误差的存在，上述方程在求解的过程中，相界面会出现耗散的现象。本发明中，通过在相分数输运方程中添加对流压缩项的来抑制界面耗散的发生。上述Cahn-Hilliard方程可改写为：

其中u_c是压缩速度，C(1-C)保证了序参数的有界，哈密顿算子保证了总体的质量守恒。为使对流压缩项不对计算结果产生其他的影响，该项仅作用于界面区域，且压缩速度选取界面法线方向的分量来计算，可表示为：