[发明专利]一种基于VOF原理的流体分布计算方法

权利要求书

1.一种基于VOF原理的流体分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取分布两种互不混溶流体A和B的计算域的CFD网格；对计算域的CFD网格进行前处理，完善单元与节点、单元与表面、表面与节点的拓扑关系，并计算单元体与单元面的质心；

步骤2：读入计算域的CFD网格中两种互不混溶流体A和B的流体分界面的表达式H；

步骤3：对计算域的CFD网格中每个单元Ω_i进行标记并计算其流体体积分数；

若单元Ω_i的节点全部位于流体分界面内，则将单元Ω_i标记为满单元；若单元Ω_i的节点全部位于流体分界面外，则将单元Ω_i标记为空单元；其余情况则将单元Ω_i标记为界面单元，获取计算域的CFD网格中界面单元的总数N_jm；

单元Ω_i的流体体积分数VOF_i表示互不混溶流体A和B的流体体积分布比例；所述的满单元的流体体积分数为VOF_i＝1，表示单元Ω_i中仅分布一种流体A；所述的空单元的流体体积分数为VOF_i＝0，表示单元Ω_i中仅分布一种流体B；

对于界面单元Ω_i，其流体体积分数VOF_i的计算方法为：

步骤3.1：将界面单元Ω_i分割为子单元Ω_ij；

若计算域的CFD网格为3D网格，则将3D界面单元Ω_i分割为四面体子单元Ω_ij；若3D界面单元Ω_i包含多边形表面，则先将多边形表面分割为若干三角形表面，再将3D界面单元Ω_i根据质心和各三角形表面分割为四面体子单元Ω_ij；

若计算域的CFD网格为2D网格，则根据2D界面单元Ω_i的质心和各边节点将2D界面单元Ω_i分割为三角形子单元Ω_ij；

步骤3.2：对子单元Ω_ij进行标记并计算其流体体积分数；

若子单元Ω_ij的节点全部位于流体分界面内，则将子单元Ω_ij标记为满子单元；若子单元Ω_ij的节点全部位于流体分界面外，则将子单元Ω_ij标记为空子单元；其余情况则将子单元Ω_ij标记为界面子单元；

所述的满子单元的流体体积分数为VOF_ij＝1；所述的空子单元的流体体积分数为VOF_ij＝0；对于界面子单元Ω_ij，其流体体积分数VOF_ij的计算方法为：

步骤3.2.1：设定最大“分割-判断”级别R、3D单元的体积等分比或2D单元的面积等分比m；初始化r＝1，子单元Ω_ij为被分割的目标单元；

步骤3.2.2：将每个被分割的目标单元等分为m个子单元，对所有子单元进行标记，获取分割生成的满子单元数量N_ijr，找出所有界面子单元；

步骤3.2.3：若r＜R，则将“分割-判断”级别r中分割生成的所有界面子单元作为下一“分割-判断”级别r+1中被分割的目标单元，令r＝r+1，返回步骤3.2.2；

步骤3.2.4：计算界面子单元Ω_ij的流体体积分数VOF_ij；

步骤3.3：计算界面单元Ω_i的流体体积分数VOF_i；

其中，|Ω_i|表示3D单元的体积或2D单元的面积；N_sub为界面单元Ω_i分割出的子单元Ω_ij的数量；

步骤4：输出计算域的CFD网格中各单元Ω_i的流体体积分数VOF_i，得到计算域中两种互不混溶流体A和B的分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于VOF原理的流体分布计算方法，其特征在于：所述的步骤4中输出计算域的CFD网格中各单元Ω_i的流体体积分数VOF_i之前需校验是否满足预设精度，具体方法为：

步骤4.1：计算所有界面单元包含的流体3D体积或2D面积V_jm在相邻两个“分割-判断”级别k和k-1之间的相对误差

其中，2≤k≤R；代表第u个界面单元；为界面单元在“分割-判断”级别k中的流体体积分数；为界面单元的子单元Ω_uj在“分割-判断”级别k中的流体体积分数；

步骤4.2：计算CFD网格中所有单元包含的流体3D体积或2D面积V_all在相邻两个“分割-判断”级别k和k-1之间的相对误差

其中，N_cell为计算域的CFD网格中包含的所有单元的数量；

步骤4.3：判断与是否满足预设精度；若或不满足预设精度，则增加最大“分割-判断”级别R的值，返回步骤3；若与均满足预设精度，则输出计算域的CFD网格中各单元Ω_i的流体体积分数VOF_i，得到计算域中两种互不混溶流体A和B的分布。