專利名稱：一種高精度的兩相流體界面捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格生成及兩相界面構(gòu)造方法，尤其涉及一種 高精度的兩相流體界面捕獲方法。
背景技術(shù)：
兩相或多相流動廣泛存在于自然界及工程中，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值 模擬已經(jīng)成為研究多相流動的有效方法。在研究氣液/液液兩相流動時，由于存在運動的 相界面，同時在自由界面上流體物性和流動狀態(tài)可能發(fā)生劇變，所以考慮相界面的變形和 位移以及界面的處理就顯得至關(guān)重要，能否精準捕捉兩相界面關(guān)系到整個流場計算的正確 性和合理性。V0F(VolUme ofFluid)方法作為一種界面捕捉類方法，由于其較好地滿足質(zhì) 量守恒特性該方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多相流體數(shù)值模擬?，F(xiàn)有的關(guān)于相界面捕獲的VOF 方法研究大多是基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的，然而實際問題中經(jīng)常遇到復(fù)雜的幾何區(qū)域，由于結(jié) 構(gòu)化網(wǎng)格的適用范圍有限，當計算區(qū)域不規(guī)則的時候，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以適應(yīng)各種形狀的 計算區(qū)域，發(fā)展基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的VOF方法，可以有效模擬復(fù)雜計算區(qū)域中的多相流動， 比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有更加普遍的適用性，因此發(fā)展基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的界面捕獲算法非常重 要。發(fā)明人前期研究工作中開展了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的SLIC-VOF方法(可參考HUANG M. , CHEN B. , WU L. L. A SLIC-VOF method based on unstructuredgrid. Microgravity Science and Technology, 2010, 22 (33) :305-314)，發(fā)現(xiàn)對于基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的多相 流動界面捕獲方法，網(wǎng)格的質(zhì)量以及網(wǎng)格對于界面的自適應(yīng)性會直接影響計算結(jié)果的精 度。盡管氣泡堆積法生成的高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格使得基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的VOF方法計算 的精度得到了顯著的改進，但由于相界面構(gòu)造算法本身的精度問題，捕獲的相界面不夠光 滑。為了提高所捕獲界面的精度構(gòu)建較為光滑的相界面，可以通過以下兩方面的改進1) 增加計算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量；幻發(fā)展高精度的界面構(gòu)造方法。對于網(wǎng)格單元數(shù)量的增加，如 果是增加整個計算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量，則需要額外的引入大量的計算資源，對于一般的計 算機可能難以滿足計算的要求，同時大量增加計算網(wǎng)格單元勢必會降低程序的執(zhí)行效率， 然而在計算中我們最關(guān)心是兩相流體的相界面位置區(qū)域，因此考慮僅僅將相界面處的網(wǎng)格 單元進行加密，有必要發(fā)展一種適用于兩相流的自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法。當前國內(nèi) 外學(xué)者已經(jīng)開展關(guān)于自適應(yīng)網(wǎng)格生成方法的研究并提出了相關(guān)的實施方法，但大多數(shù)是基 于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的算法，對于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的適用于兩相或多相流動的自適應(yīng)網(wǎng)格生成 技術(shù)剛剛開始初步研究，如Ito等人在2010年提出了一種適用于氣液兩相流體的自適應(yīng)非 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，但在其提出的方法中需要反復(fù)地從細分前的雙親網(wǎng)格單元到細分后的子 網(wǎng)格單元的對相函數(shù)等參數(shù)的插值分配，增加了算法的計算復(fù)雜性。對于VOF高精度界面構(gòu)造方法，國內(nèi)外也有很多學(xué)者作出了自己的嘗試，但是目 前基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的界面重構(gòu)方法仍然不多，研究人員主要針對兩個方面進行發(fā)展和改 進界面的構(gòu)造和流體的輸運。界面的構(gòu)造是計算流體輸運和可視化的前提，現(xiàn)今較常見的是用一條具有任意斜率的線段逼近真實界面線，Barth在1995年提出了利用最小二乘法迭 代求出線段位置的方法，得到了較廣泛的應(yīng)用，但是這樣每次構(gòu)造界面都要在網(wǎng)格上進行 數(shù)次迭代計算，而精度提高有限；對于流體輸運量的計算，鑒于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的不規(guī)則性， 很多學(xué)者避開了流量的歐拉格式計算而采用Mosso在1997年提出的歐拉-拉格朗日結(jié)合 的方法計算流量，該方法可以達到較高的精度，但是要用到歐拉和拉格朗日兩種格式，此外 還涉及到復(fù)雜的幾何計算。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高精度的兩相流體界面捕獲 方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)對計算區(qū)域進行建模，生成初始的高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，根據(jù)計算條件， 對不同的流體相初始化VOF相函數(shù)F值，同時設(shè)置計算工況參數(shù)；2)采用“預(yù)估-校正”的兩步計算實現(xiàn)網(wǎng)格的自適應(yīng)加密首先計算VOF相函數(shù)F 在流場中的傳輸預(yù)估下一時刻流體相界面的位置，進而對Fe (0,1)的相界面網(wǎng)格進行細 分加密將高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格細分為四個子網(wǎng)格，然后再在細分加密后的網(wǎng)格上重 新計算得到在細分后網(wǎng)格上下一時刻相函數(shù)F的分布；3)完成上述計算后，對流體全部流出或者全部充滿指定相流體的四個子網(wǎng)格重新 合并為一個網(wǎng)格單元，并計算該網(wǎng)格的相函數(shù)F值；4)采用PLIC方法重新構(gòu)造流體相界面；5)反復(fù)迭代執(zhí)行步驟( G)，直至完成計算終止。所述的步驟1)包括對計算區(qū)域建模生成初始的高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，然 后根據(jù)計算條件對不同的流體相初始化VOF相函數(shù)F值，F(xiàn)表示流體某相在網(wǎng)格單元內(nèi)的 體積與網(wǎng)格體積的比，其取值介于0 1之間，F(xiàn)為0代表空網(wǎng)格，為1代表滿網(wǎng)格，介于0 和1之間則代表存在相界面，同時給定計算的工況參數(shù)，包括不同相流體速度的給定。所述的步驟2~)采用“預(yù)估-校正”兩步計算實現(xiàn)網(wǎng)格的自適應(yīng)加密其具體步驟 為a)預(yù)估相界面位置并加密采用VOF方法計算流體相函數(shù)F的分布，預(yù)估下一時 刻流體相界面的位置，進而對相函數(shù)F值介于0和1之間的相界面網(wǎng)格單元進行細分加密；b)校正計算相函數(shù)F的傳輸重新賦予網(wǎng)格單元預(yù)估計算前的F值，同時對細分 加密后新添加的子網(wǎng)格初始化相函數(shù)F值，進而在細分后的子網(wǎng)格上重新計算流體相函數(shù) F在每個網(wǎng)格單元中的分布。所述的步驟幻完成在細分后網(wǎng)格單元上的計算后，將指定相流體全部流出(即F =0)或者全部充滿指定相流體(即F = 1)的四個子網(wǎng)格單元重新合并為細分前的網(wǎng)格單 元，并得到該網(wǎng)格的相函數(shù)F值。所述的步驟4)采用如下方案構(gòu)造相界面a)網(wǎng)格中分段線性界面的構(gòu)造先根據(jù)周邊相鄰網(wǎng)格中F值分別求解出共用當前 網(wǎng)格的三個頂點的所有網(wǎng)格單元在該頂點處流體體積比函數(shù)的均值Fi,再用這三個頂點上 F的均值Fi求其對于當前網(wǎng)格中心點相函數(shù)Ftl的梯度值，進而確定該網(wǎng)格界面線的法線在χ軸和1軸上的分量nx和ny如下
權(quán)利要求
1.一種高精度的兩相流體界面捕獲方法，其特征在于包括以下步驟1)對計算區(qū)域進行建模，生成初始的高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，根據(jù)計算條件，對不 同的流體相初始化VOF相函數(shù)F值，同時設(shè)置計算工況參數(shù)；2)采用“預(yù)估-校正”的兩步計算實現(xiàn)網(wǎng)格的自適應(yīng)加密首先計算VOF相函數(shù)F在流 場中的傳輸預(yù)估下一時刻流體相界面的位置，進而對F e (0,1)的相界面網(wǎng)格進行細分加 密將高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格細分為四個子網(wǎng)格，然后再在細分加密后的網(wǎng)格上重新計 算得到在細分后網(wǎng)格上下一時刻相函數(shù)F的分布；3)完成上述計算后，對流體全部流出或者全部充滿指定相流體的四個子網(wǎng)格重新合并 為一個網(wǎng)格單元，并計算該網(wǎng)格的相函數(shù)F值；4)采用PLIC方法重新構(gòu)造流體相界面；5)反復(fù)迭代執(zhí)行步驟O) G)，直至完成計算終止。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度的兩相流體界面捕獲方法，其特征在于所述的步驟1) 包括對計算區(qū)域建模生成初始的高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，然后根據(jù)計算條件對不同的 流體相初始化VOF相函數(shù)F值，F(xiàn)表示流體某相在網(wǎng)格單元內(nèi)的體積與網(wǎng)格體積的比，其取 值介于0 1之間，F(xiàn)為0代表空網(wǎng)格，為1代表滿網(wǎng)格，介于0和1之間則代表存在相界 面，同時給定計算的工況參數(shù)，包括不同相流體速度的給定。
3.如權(quán)利要求1所述的高精度的兩相流體界面捕獲方法，其特征在于所述的步驟2) 采用“預(yù)估-校正”兩步計算實現(xiàn)網(wǎng)格的自適應(yīng)加密其具體步驟為a)預(yù)估相界面位置并加密采用VOF方法計算流體相函數(shù)F的分布，預(yù)估下一時刻流 體相界面的位置，進而對相函數(shù)F值介于0和1之間的相界面網(wǎng)格單元進行細分加密；b)校正計算相函數(shù)F的傳輸重新賦予網(wǎng)格單元預(yù)估計算前的F值，同時對細分加密 后新添加的子網(wǎng)格初始化相函數(shù)F值，進而在細分后的子網(wǎng)格上重新計算流體相函數(shù)F在 每個網(wǎng)格單元中的分布。
4.如權(quán)利要求1所述的高精度的兩相流體界面捕獲方法，其特征在于所述的步驟3) 完成在細分后網(wǎng)格單元上的計算后，將指定相流體全部流出(即F = O)或者全部充滿指定 相流體(即F = 1)的四個子網(wǎng)格單元重新合并為細分前的網(wǎng)格單元，并得到該網(wǎng)格的相函 數(shù)F值。
5.如權(quán)利要求1所述的高精度的兩相流體界面捕獲方法，其特征在于所述的步驟4) 采用如下方案構(gòu)造相界面a)網(wǎng)格中分段線性界面的構(gòu)造先根據(jù)周邊相鄰網(wǎng)格中F值分別求解出共用當前網(wǎng)格 的三個頂點的所有網(wǎng)格單元在該頂點處流體體積比函數(shù)的均值Fi,再用這三個頂點上F的 均值Fi求其對于當前網(wǎng)格中心點相函數(shù)Ftl的梯度值，進而確定該網(wǎng)格界面線的法線在χ軸 和y軸上的分量nx和ny如下其中(χο，y。)為三角形網(wǎng)格中心點的坐標，(Xi, Yi)為三角形網(wǎng)格頂點的坐標，接下來 再由該網(wǎng)格單元的F值大小確定界面線的位置，從而構(gòu)造出一條具有任意斜率和任意位置 的界面線來逼近穿過當前網(wǎng)格的真實流體自由面的位置，完成界面的精細重構(gòu)；b)流量輸運依靠幾何關(guān)系進行計算，對于自由面上網(wǎng)格來說，根據(jù)每一邊與界面線的位置關(guān)系以及該邊沿外法向的速度分量，計算通過該邊的流體體積輸運量；對于流體內(nèi)部 的網(wǎng)格來說，則直接計算每條邊上的流體輸運，對所有網(wǎng)格進行遍歷從而得到下一時刻流 體體積比函數(shù)F分布，據(jù)此進行下一輪的界面構(gòu)造。
全文摘要
一種高精度的兩相流體界面捕獲方法，包括步驟對計算區(qū)域進行建模，生成初始的高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格；設(shè)置計算參數(shù)，對不同的流體相初始化VOF相函數(shù)F值；采用“預(yù)估-校正”，首先預(yù)估計算流體相函數(shù)的分布，根據(jù)相函數(shù)值對相界面處網(wǎng)格單元進行自適應(yīng)細分，然后在細分后的網(wǎng)格單元上重新計算流體相函數(shù)的分布；完成在細分后網(wǎng)格單元上的計算后，將指定相流體全部流出或者全部充滿指定相流體的子網(wǎng)格單元重新合并為細分前的網(wǎng)格單元，并得到該網(wǎng)格的相函數(shù)F值，采用PLIC方法構(gòu)造相界面。本發(fā)明可在無需大量增加網(wǎng)格單元數(shù)量的情況提高了相界面捕獲的精度，同時該方法隨著時間及相界面的變化無需對全部網(wǎng)格重新生成，算法的執(zhí)行效率較高。
文檔編號G06F19/00GK102129517SQ201110057398
公開日2011年7月20日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者武利龍, 陳斌, 黃萌 申請人:西安交通大學(xué)