[发明专利]应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备

说明书

本申请涉及一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备，用于模拟多相多介质可压缩流动问题，所述方法包括：获取上一时间步的流场状态值作为初始值；基于初始值对流场进行初始化；基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值。如此设置，相对于传统的界面迭代算法(隐式算法)，在保证有足够的计算精度的前提下，能够有效提高计算速度，从而可以很好地在实际工程问题中进行应用。

技术领域

本申请涉及计算流体力学技术领域，尤其涉及一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备。

背景技术

随着计算机的发展而产生了一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，即计算流体力学，该学科的主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。例如，通过计算机模拟水下爆破过程中的流体力学参数，从而便于对爆破的实际操作过程进行改进和优化。

虚拟介质方法(Ghost Fluid Method，GFM)已经被认为是处理多介质可压缩流体物质界面最成功的方法，GFM算法成功的关键是正确定义虚拟流体属性。目前最成功的改良虚拟介质方法(Modified Ghost Fluid Method，MGFM)利用特征关系来预测界面状态，在该状态下通过近似的黎曼问题求解器(ARPS)求解特征方程，然后使用预测的界面压力，速度和熵来定义虚拟流体。不过，如果将MGFM应用在可压缩固体介质的本构关系中，当低压区域出现在水-固体界面附近时，应用ARPS预测界面状态计算量巨大，导致计算时间很长。因此现有的改良虚拟介质方法在实际大型工程问题中的应用受到很大的限制。

发明内容

本申请提供一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备，以解决现有的虚拟介质方法针对水-固体界面附近出现的低压区域的计算量大、计算时间长的问题。

本申请的上述目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法，用于模拟多相多介质可压缩流动问题，所述方法包括：

获取上一时间步的流场状态值作为初始值，其中，流场状态值包括密度、速度、压强和总能；

基于所述初始值对流场进行初始化；

基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；其中，距离物质界面至少两个网格长度的位置为所述远离物质界面位置；

若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值。

可选的，所述基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值，包括：

基于物质界面两侧介质的密度，通过以下公式分别计算物质界面处的速度和压强，基于计算得到的物质界面处的速度和压强确定物质界面处的密度和总能，最终得到物质界面处的流场状态值：

式中，u表示速度，p表示压强，ρ表示密度，c表示介质中的音速，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题，△t表示时间步长，下标I、IL、IR分别表示物质界面、界面左侧、界面右侧，并且界面左侧的压强大于界面右侧的压强。

可选的，所述方法还包括：

若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强大于或等于预设的压强阈值，通过常规的界面迭代算法计算物质界面处的流场状态值。

可选的，所述方法还包括：