[发明专利]电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法

权利要求书

1.电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：建立平板硅橡胶表面水珠运动计算的几何模型并对所需的各几何域材料及属性进行选取；

步骤2：在步骤1对平板硅橡胶表面水珠运动的计算几何模型及几何域材料属性进行选取的基础上添加电场与流体场并设置边界参数，再对电-流体多物理场耦合条件进行配置；

步骤3：划分网格，判断是否收敛，保证计算的收敛性。

2.根据权利要求1所述的电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法，其特征在于，步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1：平板硅橡胶表面水珠运动计算的几何模型为二维模型，此二维模型中包含的复合硅橡胶绝缘子材料的几何形状选取规则的平板模型，此二维模型中包含的水珠与硅橡胶绝缘子平板模型的接触角为120°；

步骤1.2：所需的各几何域材料具体为水珠材料、空气材料及硅橡胶绝缘子材料，对各几何域材料及属性选取如下：

(1)水珠材料的属性分别选取：相对介电常数、电导率、动力粘度、密度，记为ε₁、γ₁、μ₁、ρ₁；

(2)空气材料的属性分别选取：相对介电常数、电导率、动力粘度、密度，记为ε₂、γ₂、μ₂、ρ₂；

(3)硅橡胶绝缘子材料的属性分别选取：相对介电常数、电导率，记为ε₃、γ₃。

3.根据权利要求1所述的电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1：首先，添加的电场选择恒定电流场并建立恒定电流场电位的拉普拉斯方程，恒定电流场的计算域包括整个几何域；其次，给出场域边界条件和两种不同导电媒质分界面上的衔接条件；最后，把场域边界条件和两种不同导电媒质分界面的衔接条件代入恒定电流场电位的拉普拉斯方程即能对电场问题进行解决；

步骤2.2：添加的流体场选择层流两相流带相场计算模型，流体场的计算域包括除硅橡胶绝缘子定义域之外的所有几何域，关于流体场问题的求解，首先建立描述流体运动的Navier-Stokes方程也即流体运动方程，然后采用层流两相流中相场理论方法对流体界面进行跟踪从而求解计算流体运动方程，从而解决流体场问题；

步骤2.3：多物理场的耦合

在步骤2.1和步骤2.2分别建立的电-流体两个物理场建立的基础上，需要指定两种物理场的耦合方式，具体方法如下：

首先，根据步骤2.2中流体运动方程中的附加电场力项，对于两相流界面需要指定附加电场力，附加电场力使用Maxwell应力张量方程，其描述为：F＝▽·T；其中：E＝-▽V，D＝ε₀ε_rE，其中T为Maxwell应力张量，E为电场强度，D为电通量密度；通过对流体运动方程指定附加Maxwell应力张量附加项，即可完成电场与流体场的耦合；

最后，再对电-流体多物理场耦合条件进行配置，具体为：

平板硅橡胶表面水珠运动计算的几何模型根据上述的耦合条件得到应力张量各分量的表达式为：T_xy＝T_yx＝ε₀ε_rE_xE_y，其中相对介电常数ε_r通过气液两种介质各自内部定义的体积分数Vf1和Vf2进行定义：ε_r＝ε₁Vf1+ε₂Vf2。

4.根据权利要求3所述的电-流体多物理场耦合的水珠运动及电场分析计算方法，其特征在于，步骤2.1中，

首先，恒定电流场界面建立的电位拉普拉斯方程为：其中为电位函数，▽为拉普拉斯算子；

其次，对电场需要设置的场域边界条件包括电势、接地与电绝缘条件，也即给定场域边界面上各点的电位值从而求解第一类边值问题；

另外，在两种不同导电媒质分界面上的衔接条件为：由电位函数表示，其中γ表示电导率，下标1和2分别表示两种不同的介质。