专利名称：一种高精度的两相流体界面捕获方法
技术领域：
本发明涉及自适应非结构化三角形网格生成及两相界面构造方法，尤其涉及一种 高精度的两相流体界面捕获方法。
背景技术：
两相或多相流动广泛存在于自然界及工程中，随着计算机技术的快速发展，数值 模拟已经成为研究多相流动的有效方法。在研究气液/液液两相流动时，由于存在运动的 相界面，同时在自由界面上流体物性和流动状态可能发生剧变，所以考虑相界面的变形和 位移以及界面的处理就显得至关重要，能否精准捕捉两相界面关系到整个流场计算的正确 性和合理性。V0F(VolUme ofFluid)方法作为一种界面捕捉类方法，由于其较好地满足质 量守恒特性该方法已经被广泛地应用于多相流体数值模拟。现有的关于相界面捕获的VOF 方法研究大多是基于结构化网格上的，然而实际问题中经常遇到复杂的几何区域，由于结 构化网格的适用范围有限，当计算区域不规则的时候，非结构化网格可以适应各种形状的 计算区域，发展基于非结构化网格的VOF方法，可以有效模拟复杂计算区域中的多相流动， 比结构化网格具有更加普遍的适用性，因此发展基于非结构化网格的界面捕获算法非常重 要。发明人前期研究工作中开展了基于非结构化网格的SLIC-VOF方法(可参考HUANG M. , CHEN B. , WU L. L. A SLIC-VOF method based on unstructuredgrid. Microgravity Science and Technology, 2010, 22 (33) :305-314)，发现对于基于非结构化网格上的多相 流动界面捕获方法，网格的质量以及网格对于界面的自适应性会直接影响计算结果的精 度。尽管气泡堆积法生成的高质量非结构化网格使得基于非结构化网格上的VOF方法计算 的精度得到了显著的改进，但由于相界面构造算法本身的精度问题，捕获的相界面不够光 滑。为了提高所捕获界面的精度构建较为光滑的相界面，可以通过以下两方面的改进1) 增加计算区域内网格数量；幻发展高精度的界面构造方法。对于网格单元数量的增加，如 果是增加整个计算区域内的网格数量，则需要额外的引入大量的计算资源，对于一般的计 算机可能难以满足计算的要求，同时大量增加计算网格单元势必会降低程序的执行效率， 然而在计算中我们最关心是两相流体的相界面位置区域，因此考虑仅仅将相界面处的网格 单元进行加密，有必要发展一种适用于两相流的自适应非结构化网格生成方法。当前国内 外学者已经开展关于自适应网格生成方法的研究并提出了相关的实施方法，但大多数是基 于结构化网格上的算法，对于非结构化网格上的适用于两相或多相流动的自适应网格生成 技术刚刚开始初步研究，如Ito等人在2010年提出了一种适用于气液两相流体的自适应非 结构化网格技术，但在其提出的方法中需要反复地从细分前的双亲网格单元到细分后的子 网格单元的对相函数等参数的插值分配，增加了算法的计算复杂性。对于VOF高精度界面构造方法，国内外也有很多学者作出了自己的尝试，但是目 前基于非结构化网格的界面重构方法仍然不多，研究人员主要针对两个方面进行发展和改 进界面的构造和流体的输运。界面的构造是计算流体输运和可视化的前提，现今较常见的是用一条具有任意斜率的线段逼近真实界面线，Barth在1995年提出了利用最小二乘法迭 代求出线段位置的方法，得到了较广泛的应用，但是这样每次构造界面都要在网格上进行 数次迭代计算，而精度提高有限；对于流体输运量的计算，鉴于非结构化网格的不规则性， 很多学者避开了流量的欧拉格式计算而采用Mosso在1997年提出的欧拉-拉格朗日结合 的方法计算流量，该方法可以达到较高的精度，但是要用到欧拉和拉格朗日两种格式，此外 还涉及到复杂的几何计算。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种高精度的两相流体界面捕获 方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是1)对计算区域进行建模，生成初始的高质量非结构化三角形网格，根据计算条件， 对不同的流体相初始化VOF相函数F值，同时设置计算工况参数；2)采用“预估-校正”的两步计算实现网格的自适应加密首先计算VOF相函数F 在流场中的传输预估下一时刻流体相界面的位置，进而对Fe (0,1)的相界面网格进行细 分加密将高质量非结构化三角形网格细分为四个子网格，然后再在细分加密后的网格上重 新计算得到在细分后网格上下一时刻相函数F的分布；3)完成上述计算后，对流体全部流出或者全部充满指定相流体的四个子网格重新 合并为一个网格单元，并计算该网格的相函数F值；4)采用PLIC方法重新构造流体相界面；5)反复迭代执行步骤( G)，直至完成计算终止。所述的步骤1)包括对计算区域建模生成初始的高质量非结构化三角形网格，然 后根据计算条件对不同的流体相初始化VOF相函数F值，F表示流体某相在网格单元内的 体积与网格体积的比，其取值介于0 1之间，F为0代表空网格，为1代表满网格，介于0 和1之间则代表存在相界面，同时给定计算的工况参数，包括不同相流体速度的给定。所述的步骤2~)采用“预估-校正”两步计算实现网格的自适应加密其具体步骤 为a)预估相界面位置并加密采用VOF方法计算流体相函数F的分布，预估下一时 刻流体相界面的位置，进而对相函数F值介于0和1之间的相界面网格单元进行细分加密；b)校正计算相函数F的传输重新赋予网格单元预估计算前的F值，同时对细分 加密后新添加的子网格初始化相函数F值，进而在细分后的子网格上重新计算流体相函数 F在每个网格单元中的分布。所述的步骤幻完成在细分后网格单元上的计算后，将指定相流体全部流出(即F =0)或者全部充满指定相流体(即F = 1)的四个子网格单元重新合并为细分前的网格单 元，并得到该网格的相函数F值。所述的步骤4)采用如下方案构造相界面a)网格中分段线性界面的构造先根据周边相邻网格中F值分别求解出共用当前 网格的三个顶点的所有网格单元在该顶点处流体体积比函数的均值Fi,再用这三个顶点上 F的均值Fi求其对于当前网格中心点相函数Ftl的梯度值，进而确定该网格界面线的法线在χ轴和1轴上的分量nx和ny如下
权利要求
1.一种高精度的两相流体界面捕获方法，其特征在于包括以下步骤1)对计算区域进行建模，生成初始的高质量非结构化三角形网格，根据计算条件，对不 同的流体相初始化VOF相函数F值，同时设置计算工况参数；2)采用“预估-校正”的两步计算实现网格的自适应加密首先计算VOF相函数F在流 场中的传输预估下一时刻流体相界面的位置，进而对F e (0,1)的相界面网格进行细分加 密将高质量非结构化三角形网格细分为四个子网格，然后再在细分加密后的网格上重新计 算得到在细分后网格上下一时刻相函数F的分布；3)完成上述计算后，对流体全部流出或者全部充满指定相流体的四个子网格重新合并 为一个网格单元，并计算该网格的相函数F值；4)采用PLIC方法重新构造流体相界面；5)反复迭代执行步骤O) G)，直至完成计算终止。
2.如权利要求1所述的高精度的两相流体界面捕获方法，其特征在于所述的步骤1) 包括对计算区域建模生成初始的高质量非结构化三角形网格，然后根据计算条件对不同的 流体相初始化VOF相函数F值，F表示流体某相在网格单元内的体积与网格体积的比，其取 值介于0 1之间，F为0代表空网格，为1代表满网格，介于0和1之间则代表存在相界 面，同时给定计算的工况参数，包括不同相流体速度的给定。
3.如权利要求1所述的高精度的两相流体界面捕获方法，其特征在于所述的步骤2) 采用“预估-校正”两步计算实现网格的自适应加密其具体步骤为a)预估相界面位置并加密采用VOF方法计算流体相函数F的分布，预估下一时刻流 体相界面的位置，进而对相函数F值介于0和1之间的相界面网格单元进行细分加密；b)校正计算相函数F的传输重新赋予网格单元预估计算前的F值，同时对细分加密 后新添加的子网格初始化相函数F值，进而在细分后的子网格上重新计算流体相函数F在 每个网格单元中的分布。
4.如权利要求1所述的高精度的两相流体界面捕获方法，其特征在于所述的步骤3) 完成在细分后网格单元上的计算后，将指定相流体全部流出(即F = O)或者全部充满指定 相流体(即F = 1)的四个子网格单元重新合并为细分前的网格单元，并得到该网格的相函 数F值。
5.如权利要求1所述的高精度的两相流体界面捕获方法，其特征在于所述的步骤4) 采用如下方案构造相界面a)网格中分段线性界面的构造先根据周边相邻网格中F值分别求解出共用当前网格 的三个顶点的所有网格单元在该顶点处流体体积比函数的均值Fi,再用这三个顶点上F的 均值Fi求其对于当前网格中心点相函数Ftl的梯度值，进而确定该网格界面线的法线在χ轴 和y轴上的分量nx和ny如下其中(χο，y。)为三角形网格中心点的坐标，(Xi, Yi)为三角形网格顶点的坐标，接下来 再由该网格单元的F值大小确定界面线的位置，从而构造出一条具有任意斜率和任意位置 的界面线来逼近穿过当前网格的真实流体自由面的位置，完成界面的精细重构；b)流量输运依靠几何关系进行计算，对于自由面上网格来说，根据每一边与界面线的位置关系以及该边沿外法向的速度分量，计算通过该边的流体体积输运量；对于流体内部 的网格来说，则直接计算每条边上的流体输运，对所有网格进行遍历从而得到下一时刻流 体体积比函数F分布，据此进行下一轮的界面构造。
全文摘要
一种高精度的两相流体界面捕获方法，包括步骤对计算区域进行建模，生成初始的高质量非结构化三角形网格；设置计算参数，对不同的流体相初始化VOF相函数F值；采用“预估-校正”，首先预估计算流体相函数的分布，根据相函数值对相界面处网格单元进行自适应细分，然后在细分后的网格单元上重新计算流体相函数的分布；完成在细分后网格单元上的计算后，将指定相流体全部流出或者全部充满指定相流体的子网格单元重新合并为细分前的网格单元，并得到该网格的相函数F值，采用PLIC方法构造相界面。本发明可在无需大量增加网格单元数量的情况提高了相界面捕获的精度，同时该方法随着时间及相界面的变化无需对全部网格重新生成，算法的执行效率较高。
文档编号G06F19/00GK102129517SQ201110057398
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者武利龙, 陈斌, 黄萌 申请人:西安交通大学