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(dòng)廣泛存在于自然界及工程中，隨著計(jì)算機(jī)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(dòng)的有效方法。在研究氣液/液液兩相流動(dòng)時(shí)，由于存在運(yùn)動(dòng)的 相界面，同時(shí)在自由界面上流體物性和流動(dòng)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(zhǔn)捕捉兩相界面關(guān)系到整個(gè)流場(chǎng)計(jì)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(shí)際問(wèn)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(dāng)計(jì)算區(qū)域不規(guī)則的時(shí)候，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以適應(yīng)各種形狀的 計(jì)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(jì)算區(qū)域中的多相流動(dòng)， 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(kāi)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(duì)于基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的多相 流動(dòng)界面捕獲方法，網(wǎng)格的質(zhì)量以及網(wǎng)格對(duì)于界面的自適應(yīng)性會(huì)直接影響計(jì)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(jì)算 的精度得到了顯著的改進(jìn)，但由于相界面構(gòu)造算法本身的精度問(wèn)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(guò)以下兩方面的改進(jìn)1) 增加計(jì)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(duì)于網(wǎng)格單元數(shù)量的增加，如 果是增加整個(gè)計(jì)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(jì)算資源，對(duì)于一般的計(jì) 算機(jī)可能難以滿足計(jì)算的要求，同時(shí)大量增加計(jì)算網(wǎng)格單元?jiǎng)荼貢?huì)降低程序的執(zhí)行效率， 然而在計(jì)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(jìn)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(dāng)前國(guó)內(nèi) 外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)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(shí)施方法，但大多數(shù)是基 于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的算法，對(duì)于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的適用于兩相或多相流動(dòng)的自適應(yīng)網(wǎng)格生成 技術(shù)剛剛開(kāi)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(xì)分前的雙親網(wǎng)格單元到細(xì)分后的子 網(wǎng)格單元的對(duì)相函數(shù)等參數(shù)的插值分配，增加了算法的計(jì)算復(fù)雜性。對(duì)于VOF高精度界面構(gòu)造方法，國(guó)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(duì)兩個(gè)方面進(jìn)行發(fā)展和改 進(jìn)界面的構(gòu)造和流體的輸運(yùn)。界面的構(gòu)造是計(jì)算流體輸運(yùn)和可視化的前提，現(xiàn)今較常見(jiàn)的是用一條具有任意斜率的線段逼近真實(shí)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(jìn)行 數(shù)次迭代計(jì)算，而精度提高有限；對(duì)于流體輸運(yùn)量的計(jì)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(kāi)了流量的歐拉格式計(jì)算而采用Mosso在1997年提出的歐拉-拉格朗日結(jié)合 的方法計(jì)算流量，該方法可以達(dá)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(jì)算。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)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(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)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(jì)算條件， 對(duì)不同的流體相初始化VOF相函數(shù)F值，同時(shí)設(shè)置計(jì)算工況參數(shù)；2)采用“預(yù)估-校正”的兩步計(jì)算實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自適應(yīng)加密首先計(jì)算VOF相函數(shù)F 在流場(chǎng)中的傳輸預(yù)估下一時(shí)刻流體相界面的位置，進(jìn)而對(duì)Fe (0,1)的相界面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì) 分加密將高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格細(xì)分為四個(gè)子網(wǎng)格，然后再在細(xì)分加密后的網(wǎng)格上重 新計(jì)算得到在細(xì)分后網(wǎng)格上下一時(shí)刻相函數(shù)F的分布；3)完成上述計(jì)算后，對(duì)流體全部流出或者全部充滿指定相流體的四個(gè)子網(wǎng)格重新 合并為一個(gè)網(wǎng)格單元，并計(jì)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(jì)算終止。所述的步驟1)包括對(duì)計(jì)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(jì)算條件對(duì)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(shí)給定計(jì)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(jì)算實(shí)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(jì)算流體相函數(shù)F的分布，預(yù)估下一時(shí) 刻流體相界面的位置，進(jìn)而對(duì)相函數(shù)F值介于0和1之間的相界面網(wǎng)格單元進(jìn)行細(xì)分加密；b)校正計(jì)算相函數(shù)F的傳輸重新賦予網(wǎng)格單元預(yù)估計(jì)算前的F值，同時(shí)對(duì)細(xì)分 加密后新添加的子網(wǎng)格初始化相函數(shù)F值，進(jìn)而在細(xì)分后的子網(wǎng)格上重新計(jì)算流體相函數(shù) F在每個(gè)網(wǎng)格單元中的分布。所述的步驟幻完成在細(xì)分后網(wǎng)格單元上的計(jì)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(gè)子網(wǎng)格單元重新合并為細(xì)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(dāng)前 網(wǎng)格的三個(gè)頂點(diǎn)的所有網(wǎng)格單元在該頂點(diǎn)處流體體積比函數(shù)的均值Fi,再用這三個(gè)頂點(diǎn)上 F的均值Fi求其對(duì)于當(dāng)前網(wǎng)格中心點(diǎn)相函數(shù)Ftl的梯度值，進(jìn)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(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)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(jì)算條件，對(duì)不 同的流體相初始化VOF相函數(shù)F值，同時(shí)設(shè)置計(jì)算工況參數(shù)；2)采用“預(yù)估-校正”的兩步計(jì)算實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自適應(yīng)加密首先計(jì)算VOF相函數(shù)F在流 場(chǎng)中的傳輸預(yù)估下一時(shí)刻流體相界面的位置，進(jìn)而對(duì)F e (0,1)的相界面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分加 密將高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格細(xì)分為四個(gè)子網(wǎng)格，然后再在細(xì)分加密后的網(wǎng)格上重新計(jì) 算得到在細(xì)分后網(wǎng)格上下一時(shí)刻相函數(shù)F的分布；3)完成上述計(jì)算后，對(duì)流體全部流出或者全部充滿指定相流體的四個(gè)子網(wǎng)格重新合并 為一個(gè)網(wǎng)格單元，并計(jì)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(jì)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(duì)計(jì)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(jì)算條件對(duì)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(shí)給定計(jì)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(jì)算實(shí)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(jì)算流體相函數(shù)F的分布，預(yù)估下一時(shí)刻流 體相界面的位置，進(jìn)而對(duì)相函數(shù)F值介于0和1之間的相界面網(wǎng)格單元進(jìn)行細(xì)分加密；b)校正計(jì)算相函數(shù)F的傳輸重新賦予網(wǎng)格單元預(yù)估計(jì)算前的F值，同時(shí)對(duì)細(xì)分加密 后新添加的子網(wǎng)格初始化相函數(shù)F值，進(jìn)而在細(xì)分后的子網(wǎng)格上重新計(jì)算流體相函數(shù)F在 每個(gè)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(xì)分后網(wǎng)格單元上的計(jì)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(gè)子網(wǎng)格單元重新合并為細(xì)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(dāng)前網(wǎng)格 的三個(gè)頂點(diǎn)的所有網(wǎng)格單元在該頂點(diǎn)處流體體積比函數(shù)的均值Fi,再用這三個(gè)頂點(diǎn)上F的 均值Fi求其對(duì)于當(dāng)前網(wǎng)格中心點(diǎn)相函數(shù)Ftl的梯度值，進(jìn)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(diǎn)的坐標(biāo)，(Xi, Yi)為三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的坐標(biāo)，接下來(lái) 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(lái)逼近穿過(guò)當(dāng)前網(wǎng)格的真實(shí)流體自由面的位置，完成界面的精細(xì)重構(gòu)；b)流量輸運(yùn)依靠幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于自由面上網(wǎng)格來(lái)說(shuō)，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(jì)算通過(guò)該邊的流體體積輸運(yùn)量；對(duì)于流體內(nèi)部 的網(wǎng)格來(lái)說(shuō)，則直接計(jì)算每條邊上的流體輸運(yùn)，對(duì)所有網(wǎng)格進(jìn)行遍歷從而得到下一時(shí)刻流 體體積比函數(shù)F分布，據(jù)此進(jìn)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(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)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(jì)算參數(shù)，對(duì)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(jì)算流體相函數(shù)的分布，根據(jù)相函數(shù)值對(duì)相界面處網(wǎng)格單元進(jìn)行自適應(yīng)細(xì)分，然后在細(xì)分后的網(wǎng)格單元上重新計(jì)算流體相函數(shù)的分布；完成在細(xì)分后網(wǎng)格單元上的計(jì)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(xì)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(wú)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(shí)該方法隨著時(shí)間及相界面的變化無(wú)需對(duì)全部網(wǎng)格重新生成，算法的執(zhí)行效率較高。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102129517SQ201110057398
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西安交通大學(xué)