[发明专利]一种基于SOLA-VOF的溃坝流动界面追踪方法

说明书

本发明涉及自然灾害模拟技术领域，且公开了一种基于SOLA‑VOF的溃坝流动界面追踪方法，包括SOLA‑VOF算法，所述SOLA‑VOF算法包括：①、控制方程，设定溃坝流动为二维不可压缩层流流动，采用的控制方程如下：连续性方程：本发明采用改进的SOLA‑VOF法模拟溃坝流动界面演化过程，并分析界面张力和壁面附着力对界面流动的影响。对比分析可得，(1)改进的施主—受主算法能够提高计算精度，有效减少界面琐碎流体杂质，光滑界面曲线；(2)采用该算法模拟溃坝流动过程与文献结果吻合良好；(3)界面张力对流动表现出抑制作用，减缓流体延展；(4)流体与壁面润湿性能越好，流体流动延展性越好。

技术领域

本发明涉及自然灾害模拟技术领域，具体为一种基于SOLA-VOF的溃坝流动界面追踪方法。

背景技术

溃坝是一种严重的灾害，决堤后湍急的洪水会危及到百姓的人身安全和财产安全。采用模拟方法预测溃坝的流动趋势和特性，有利于及早规避风险、减少损失。

自由界面追踪问题是多相流领域研究的重要课题。VOF(Volume of Fluid)法通过追踪网格中某一相流体占体积分数来确定界面位置，具有质量缺失少、计算量小、精度高等优点，应用广泛。在VOF界面重构方案中，施主—受主(Donor-Acceptor)法(根据单元网格内流速方向将单元分为施主和受主单元)，同时考虑单元上

游和下游的流量信息来获得界面形状，减小了界面模糊。SOLA(SOLutionAlgorithm)法是一种求解速度压力耦合的高效算法，它在MAC法和SIMPLE法基础上加以改进，采用有限差分法离散控制方程。在求解速度、压力时，与SIMPLE算法采用的双方程迭代方法不同，只迭代动量方程，将连续性方程作为收敛判据却不参与迭代，故而大幅缩减速度压力迭代求解时间。在提出SOLA算法不久，Nichols等首次将SOLA算法与自由表面追踪问题结合求解，提出SOLA-VOF耦合算法完成了气液两相流界面捕捉。2018年Fahime修正SOLA-VOF算法模拟了非牛顿流体中气泡的生长过程，Hamid则模拟了纳米气泡生成过程；2019年Hao采用SOLA-VOF模拟了压铸中内部孔隙的产生，将SOLA方法扩展到不可压缩流体的计算中。除了在铸造和气泡模拟上的应用外，该算法在其他领域也有众多应用。但在使用SOLA-VOF方法求解两相交界面时，界面附近流体琐碎会随时间逐渐累积，造成误差。

为满足工程上对该算法的计算精度要求，本文自编Fortran程序改进了SOLA-VOF算法，以减少界面杂质，并根据改进算法模拟了溃坝的界面演化过程，同时分析了界面张力和壁面附着力对相界面模拟的影响。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于SOLA-VOF的溃坝流动界面追踪方法，解决了上述背景技术中所存在的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于SOLA-VOF的溃坝流动界面追踪方法，包括SOLA-VOF算法，所述SOLA-VOF算法包括：

①、控制方程

设定溃坝流动为二维不可压缩层流流动，采用的控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

VOF方程：

对动量方程中粘度和密度采用两相混合值来修正计算：

υ＝F·υ_F+(1-F)·υ_A，ρ＝F·ρ_F+(1-F)·ρ_A (5)