[发明专利]一种针对两种流体传热交混破碎相变过程的无网格模拟方法

摘要

本发明提供的是一种针对两种流体传热交混破碎相变过程的无网格模拟方法。包括凝固相变模型、物性参数变化模型、表面张力模型、碎片结合判据以及流固混合模型。采用基于焓方法的凝固相变模型，对相变问题进行了简化；物性参数变化模型对熔融物在凝固破碎过程中的传热及流动物性参数进行修正，使计算更加准确；采用粒子间相互作用的表面张力模型，能够更简单地与无网格法进行结合；采用合理的碎片结合判据确定破碎产生碎片的粒子组成；采用流固混合模型对凝固后碎片的运动进行模拟。本方法基于移动粒子半隐式法，提出一种改进的无网格方法，综合各个模型可实现两种流体传热交混破碎相变过程，尤其针对两相流动、凝固传热以及流固混合等复杂问题的模拟计算求解。

主权项

一种针对两种流体传热交混破碎相变过程的无网格模拟方法，其特征是：步骤一，设定时间步长Δt、粒子间初始距离d0、粒子的控制半径Re以及总的模拟时间ttotal，设定tn＝n·Δt，则在t0时刻输入初始化参数，包括熔融金属流体的初始温度Th、速度V0、形态，冷却流体的初始温度Tc；步骤二，在tn时刻采用基于焓方法的凝固相变模型进行传热计算，n＞0，根据tn‑1时刻的粒子温度Tn‑1、焓值hn‑1、位置rn‑1、密度ρn‑1以及热导率Kn‑1，计算得到tn时刻粒子的温度Tn、焓值hn以及液相分数αn；步骤三，采用物性参数变化模型对处于相变区域粒子的物性参数进行修正，根据粒子的液相分数αn，更新得到tn时刻粒子的密度ρn、热导率Kn以及粘性系数vn；步骤四，采用基于表面自由能的表面张力模型计算tn时刻粒子所受的表面张力步骤五，根据步骤三和步骤四所得的粒子物性参数ρn、vn和表面张力采用原始MPS方法计算出tn时刻所有粒子的位置rn和速度un，分为以下几个小步骤：1，不考虑压力梯度项，显式求解动量方程中的粘性项、表面张力项以及重力项，计算得出tn时刻粒子的中间速度u*和中间位置r*；2，计算压力泊松方程，得出tn时刻粒子的压力值Pn；3，利用粒子的压力值Pn，对粒子速度进行修正，得到tn时刻粒子的速度un和位置rn；步骤六，根据步骤五中计算所得粒子位置rn，采用碎片结合判据确定破碎相变产生碎片的粒子组成；包括液相分数判据和粒子间距离判据，只有两个判据同时满足，才能判定两个粒子结合成碎片；液相分数判据为，两个熔融金属粒子的液相分数均需满足α1＜α＜α2，其中α1、α2是两个可变参数且0≤α1＜α2≤1，根据具体模拟情况进行调整；粒子间距离判据为，两个熔融金属粒子之间的距离需小于1.2l0；步骤七，采用流固混合模型修正tn时刻碎片中组成粒子的位置rn和速度un，分为以下几个步骤：1，计算碎片的速度和位置2，计算碎片的转动惯量3，基于角动量守恒定律，计算碎片的角速度4，计算tn时刻碎片中粒子的位置rn和速度un；步骤八，判断是否达到设定的总的模拟计算时间ttotal，若tn＜ttotal，则跳至步骤二，进行tn+1时刻的计算；若tn＝ttotal，则完成模拟。