[發(fā)明專利]一種曲線坐標(biāo)系下可壓縮兩相流界面條件構(gòu)建方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010128950.8
• 申請(qǐng)日: 2020-02-28
• 公開（公告）號(hào): CN111400968B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許亮;覃建秀;楊武兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G06F30/28
• 分類號(hào): 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(fā)明一種曲線坐標(biāo)系下可壓縮兩相流界面條件構(gòu)建方法，將傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)系下的界面流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行推廣，使之適用于一般曲線坐標(biāo)系下不同流體界面演變的流場(chǎng)仿真。包括：通過坐標(biāo)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(zhuǎn)化到一般曲線坐標(biāo)系下進(jìn)行求解；將反映兩相流動(dòng)作用的虛擬流體方法推廣到一般曲線坐標(biāo)系下進(jìn)行界面條件定義。其優(yōu)點(diǎn)在于：改進(jìn)的曲線坐標(biāo)系下的水平集方法適用于在任意結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下表征界面動(dòng)態(tài)位置信息；改進(jìn)的曲線坐標(biāo)系下的虛擬流體方法可以應(yīng)用于常規(guī)的CFD軟件，使之具備模擬兩相流動(dòng)的能力；采用坐標(biāo)變換法設(shè)計(jì)的界面條件表達(dá)形式適用于在復(fù)雜外形下基于曲線網(wǎng)格對(duì)可壓縮兩相流界面問題進(jìn)行求解。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種曲線坐標(biāo)系下可壓縮兩相流界面條件構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

可壓縮兩相流界面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)含液滴、氣泡、彈塑性壁面的高速流場(chǎng)的研究具有非常重要的意義。高置信度的數(shù)值模擬作用日益增強(qiáng)，已經(jīng)完全可以代替一些昂貴的、危險(xiǎn)的、甚至難以實(shí)施的實(shí)驗(yàn)，大大降低研制成本，縮短研制周期，正在發(fā)揮越來越重要的作用。

由于界面兩側(cè)不同流體的物性參數(shù)差異很大，如果將模擬單介質(zhì)流體的數(shù)值格式直接應(yīng)用于模擬多介質(zhì)流體問題，數(shù)值不穩(wěn)定可能會(huì)出現(xiàn)。尤其當(dāng)激波等高度非線性波與界面作用時(shí)，界面附近很容易出現(xiàn)非物理振蕩，甚至使得計(jì)算難以進(jìn)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(chǎng)構(gòu)建邊界條件，可以避免界面附近的數(shù)值不穩(wěn)定，也容易推廣到多維。

但是，上述技術(shù)主要應(yīng)用于笛卡爾網(wǎng)格，目前無法在一般曲線坐標(biāo)系下使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提出一種曲線坐標(biāo)系下可壓縮兩相流界面條件構(gòu)建方法，基于坐標(biāo)變換，將傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)系下的水平集方法和虛擬流體方法進(jìn)行推廣，使之適用于一般曲線坐標(biāo)系下不同流體界面演變的流場(chǎng)仿真，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種曲線坐標(biāo)系下可壓縮兩相流界面條件構(gòu)建方法，包括步驟如下：

1)根據(jù)每個(gè)物理網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)符號(hào)距離函數(shù)φ的初始值，分別定義每種流體界面外的虛擬流體區(qū)域；兩相鄰流體的介質(zhì)屬性不同且兩相鄰流體互不相融；所述介質(zhì)屬性不同具體為：兩相鄰流體的速度、壓力或密度至少一項(xiàng)不同；所述流體均為可壓縮流體；所述虛擬流體區(qū)域包含界面附近另一種流體的3-5個(gè)物理網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；所述物理網(wǎng)格是利用網(wǎng)格生成軟件對(duì)計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分獲得；

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

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

4)根據(jù)步驟3)所述修正的符號(hào)距離函數(shù)φ，更新流體界面位置信息；

5)根據(jù)步驟1)所述流體界面外的虛擬流體區(qū)域，對(duì)虛擬流體區(qū)域的每一個(gè)虛擬流體節(jié)點(diǎn)P，尋找界面另一側(cè)真實(shí)流體區(qū)域的真實(shí)流體節(jié)點(diǎn)P’，使得虛擬流體節(jié)點(diǎn)P的界面單位法向量n與真實(shí)流體節(jié)點(diǎn)P’的界面單位法向量n′形成的夾角θ最小；所述每個(gè)節(jié)點(diǎn)的界面法向根據(jù)步驟1)所述符號(hào)距離函數(shù)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(jié)點(diǎn)P及其對(duì)應(yīng)真實(shí)流體節(jié)點(diǎn)P’的速度場(chǎng)分別投影到界面法向，獲得虛擬流體節(jié)點(diǎn)P和真實(shí)流體節(jié)點(diǎn)P’的界面法向速度u_n；