[發明專利]一種基于數值模擬的氣液兩相界面積計算方法

有效

• 申請號: 201510178217.6
• 申請日: 2015-04-15
• 公開（公告）號: CN104750943B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 宋彥坡;劉志高;陶焰明;彭小奇;陳卓;周萍;張建智
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中南大學專利中心43200
• 代理人: 胡燕瑜

所屬技術領域

本發明涉及兩相流定量分析領域，特別是涉及一種基于數值模擬的氣液兩相界面積計算方法。

背景技術

氣液兩相界面積計算通常是指獲取氣液兩相體系內氣液兩相的接觸面面積。

現有的氣液相界面積的試驗測定方法主要有光學儀器直接測量法和化學間接測量法兩類。光學儀器直接測量法采用電子光學儀器測量氣泡的大小分布，進一步應用計算機圖像處理技術獲得相界面積，但該方法僅適用于連續相可透光的分散體系，應用面較窄，且難以獲得清晰的流場圖片和精確的定量結果。化學法是目前應用較多的方法，該方法通過測量溶質吸收速率和溶質溶劑濃度，采用Danckwerts標繪方法獲得相界面積，然而，化學測定的值與選用的溶質——溶劑物系有關，且實驗測試手段的準確性較差。

目前的數值模擬技術可以較好地實現對氣液兩相及其界面在體系中的分布體征的模擬，VOF(Volume of Fluid)方法對流場中的每個網格定義了流體體積函數(即目標流體的體積與網格體積的比值)，根據該函數值可知多相流各相及界面的分布特征。PLIC(Piecewise Linear Interface Calculation)是針對VOF方法模擬結果的一種重要界面重構方案，在各計算網格內采用“以直代曲”的方法近似重構相界面，因具有精度高且計算量小的特點而被廣泛應用。張勤等采用PLIC-VOF方法重構了浮法玻璃生產過程中玻璃液與氣體間的相界面，Liu等利用PLIC-VOF方法追蹤波浪的運動，Maurya等應用PLIC-VOF方法模擬了斜平板上氣液降膜流動過程中相界面的演化歷程，楊俊英等采用PLIC-VOF方法模擬了樹脂傳遞模塑工藝充模過程中流動前沿相界面的位置和形狀，這些研究表明PLIC-VOF方法可以較為準確地追蹤和重構氣液兩相分散體系的相界面。但是，應用數值模擬獲取界面積的方法尚未見文獻報道。

由以上分析可知，如今數值模擬方法已經可以較好地實現對氣液兩相及其界面在體系中的分布體征的模擬，傳統的方法對兩相物質的物理、化學性質有很多要求，精確度不高，在實際應用中有很大的局限性。

發明內容

本發明提供一種基于數值模擬的氣液兩相界面積計算方法，用以計算VOF數值模擬的氣液兩相體系內氣液的接觸面積。

為了計算基于VOF數值模擬的氣液兩相界面積，其步驟如下：

A.對于全部或部分計算區域采用長方體網格劃分的兩相流VOF數值模擬結果計算全部區域或指定區域的相界面積，讀取待分析長方體網格區域內各個網格數值模擬結果數據，包括網格中心坐標(x_i,y_i,z_i)、網格邊長(δ_{i_x}，δ_{i_y}，δ_{i_z})、網格中氣、液相流體體積分數(c_{i_g}，c_{i_l})以及任一流體體積分數的梯度向量 前述各變量中的i代表第i個網格，x,y,z代表三維直角坐標系的三條坐標軸方向，g,l分別代表氣相和液相；

B.按元素絕對值從小到大(若出現相等的情況，則維持相關元素原有的相對次序)的順序對矢量(n_{i_x}δ_{i_x},n_{i_y}δ_{i_y},n_{i_z}δ_{i_z})的元素排序，重排序的新矢量標識為(n_{i_a}δ_{i_a},n_{i_b}δ_{i_b},n_{i_c}δ_{i_c})(本表達式中，a、b、c互不相同且均屬于集合{x,y,z}，例如，如果abs(n_{i_x}δ_{i_x})≤abs(n_{i_y}δ_{i_y})≤abs(n_{i_z}δ_{i_z})，則a＝x,b＝y,c＝z)；

C.對原坐標系x-y-z通過旋轉、對稱操作變換為即表示原坐標系中位置、方向的行向量均右乘如下矩陣：

矩陣各元素計算式中，p＝＝q(p＝a,b,c，q＝x,y,z)為邏輯運算，等式成立運算結果為1，否則運算結果為0，并規定當n_{i_q}＝0時坐標變換后，界面的法向量為計算網格沿新坐標 三個坐標軸方向的邊長依次為δ_{i_a}、δ_{i_b}、δ_{i_c}；