[發明專利]一種曲線坐標系下可壓縮兩相流界面條件構建方法

有效

• 申請號: 202010128950.8
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111400968B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 許亮;覃建秀;楊武兵
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F119/14
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 茹阿昌

本發明一種曲線坐標系下可壓縮兩相流界面條件構建方法，將傳統的笛卡爾坐標系下的界面流動數值模擬技術進行推廣，使之適用于一般曲線坐標系下不同流體界面演變的流場仿真。包括：通過坐標變換，將表征界面位置信息的水平集方程和重新初始化方程轉化到一般曲線坐標系下進行求解；將反映兩相流動作用的虛擬流體方法推廣到一般曲線坐標系下進行界面條件定義。其優點在于：改進的曲線坐標系下的水平集方法適用于在任意結構網格下表征界面動態位置信息；改進的曲線坐標系下的虛擬流體方法可以應用于常規的CFD軟件，使之具備模擬兩相流動的能力；采用坐標變換法設計的界面條件表達形式適用于在復雜外形下基于曲線網格對可壓縮兩相流界面問題進行求解。

技術領域

本發明屬于計算流體力學技術領域，具體涉及一種曲線坐標系下可壓縮兩相流界面條件構建方法。

背景技術

可壓縮兩相流界面運動產生的動力學特性對含液滴、氣泡、彈塑性壁面的高速流場的研究具有非常重要的意義。高置信度的數值模擬作用日益增強，已經完全可以代替一些昂貴的、危險的、甚至難以實施的實驗，大大降低研制成本，縮短研制周期，正在發揮越來越重要的作用。

由于界面兩側不同流體的物性參數差異很大，如果將模擬單介質流體的數值格式直接應用于模擬多介質流體問題，數值不穩定可能會出現。尤其當激波等高度非線性波與界面作用時，界面附近很容易出現非物理振蕩，甚至使得計算難以進行。虛擬流體方法將界面看成一類特殊的邊界來處理，基于兩相流黎曼問題解在界面附近的虛擬流場構建邊界條件，可以避免界面附近的數值不穩定，也容易推廣到多維。

但是，上述技術主要應用于笛卡爾網格，目前無法在一般曲線坐標系下使用。

發明內容

本發明旨在提出一種曲線坐標系下可壓縮兩相流界面條件構建方法，基于坐標變換，將傳統的笛卡爾坐標系下的水平集方法和虛擬流體方法進行推廣，使之適用于一般曲線坐標系下不同流體界面演變的流場仿真，具有重要的應用價值。

本發明的技術解決方案是：

一種曲線坐標系下可壓縮兩相流界面條件構建方法，包括步驟如下：

1)根據每個物理網格節點符號距離函數φ的初始值，分別定義每種流體界面外的虛擬流體區域；兩相鄰流體的介質屬性不同且兩相鄰流體互不相融；所述介質屬性不同具體為：兩相鄰流體的速度、壓力或密度至少一項不同；所述流體均為可壓縮流體；所述虛擬流體區域包含界面附近另一種流體的3-5個物理網格節點；所述物理網格是利用網格生成軟件對計算流場區域進行網格劃分獲得；

2)利用一般曲線坐標系下的水平集方程，更新步驟1)所述符號距離函數φ的初始值，獲得更新后的符號距離函數φ；

3)根據步驟2)所述更新后的符號距離函數φ，求解一般曲線坐標系下符號距離函數的重新初始化方程，直至獲得重新初始化方程的穩定解，將穩定解作為修正后的符號距離函數φ；

4)根據步驟3)所述修正的符號距離函數φ，更新流體界面位置信息；

5)根據步驟1)所述流體界面外的虛擬流體區域，對虛擬流體區域的每一個虛擬流體節點P，尋找界面另一側真實流體區域的真實流體節點P’，使得虛擬流體節點P的界面單位法向量n與真實流體節點P’的界面單位法向量n′形成的夾角θ最小；所述每個節點的界面法向根據步驟1)所述符號距離函數φ的初始值確定；其中，θ＝arccos(n·n′)；

6)將步驟5)所述虛擬流體節點P及其對應真實流體節點P’的速度場分別投影到界面法向，獲得虛擬流體節點P和真實流體節點P’的界面法向速度u_n；