一種基于數(shù)值模擬的氣液兩相界面積計算方法
【專利說明】一種基于數(shù)值模擬的氣液兩相界面積計算方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及兩相流定量分析領(lǐng)域，特別是涉及一種基于數(shù)值模擬的氣液兩相界面 積計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣液兩相界面積計算通常是指獲取氣液兩相體系內(nèi)氣液兩相的接觸面面積。
[0003] 現(xiàn)有的氣液相界面積的試驗測定方法主要有光學(xué)儀器直接測量法和化學(xué)間接測 量法兩類。光學(xué)儀器直接測量法采用電子光學(xué)儀器測量氣泡的大小分布，進一步應(yīng)用計算 機圖像處理技術(shù)獲得相界面積，但該方法僅適用于連續(xù)相可透光的分散體系，應(yīng)用面較窄， 且難以獲得清晰的流場圖片和精確的定量結(jié)果?；瘜W(xué)法是目前應(yīng)用較多的方法，該方法通 過測量溶質(zhì)吸收速率和溶質(zhì)溶劑濃度，采用Danckwerts標繪方法獲得相界面積，然而，化 學(xué)測定的值與選用的溶質(zhì)一一溶劑物系有關(guān)，且實驗測試手段的準確性較差。
[0004]目前的數(shù)值模擬技術(shù)可以較好地實現(xiàn)對氣液兩相及其界面在體系中的分布體 征的模擬，V0F(VolumeofFluid)方法對流場中的每個網(wǎng)格定義了流體體積函數(shù)（即 目標流體的體積與網(wǎng)格體積的比值），根據(jù)該函數(shù)值可知多相流各相及界面的分布特征。 PLIC(PiecewiseLinearInterfaceCalculation)是針對V0F方法模擬結(jié)果的一種重要界 面重構(gòu)方案，在各計算網(wǎng)格內(nèi)采用"以直代曲"的方法近似重構(gòu)相界面，因具有精度高且計 算量小的特點而被廣泛應(yīng)用。張勤等采用PLIC-V0F方法重構(gòu)了浮法玻璃生產(chǎn)過程中玻璃 液與氣體間的相界面，Liu等利用PLIC-V0F方法追蹤波浪的運動，Maurya等應(yīng)用PLIC-V0F 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-V0F 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，這些研宄表明 PLIC-V0F方法可以較為準確地追蹤和重構(gòu)氣液兩相分散體系的相界面。但是，應(yīng)用數(shù)值模 擬獲取界面積的方法尚未見文獻報道。
[0005] 由以上分析可知，如今數(shù)值模擬方法已經(jīng)可以較好地實現(xiàn)對氣液兩相及其界面在 體系中的分布體征的模擬，傳統(tǒng)的方法對兩相物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)有很多要求，精確度不 高，在實際應(yīng)用中有很大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種基于數(shù)值模擬的氣液兩相界面積計算方法，用以計算V0F數(shù)值模 擬的氣液兩相體系內(nèi)氣液的接觸面積。
[0007] 為了計算基于V0F數(shù)值模擬的氣液兩相界面積，其步驟如下：
[0008]A.對于全部或部分計算區(qū)域采用長方體網(wǎng)格劃分的兩相流V0F數(shù)值模擬結(jié)果計 算全部區(qū)域或指定區(qū)域的相界面積，讀取待分析長方體網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)各個網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果 數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)格中心坐標（Xi, yi,Zi)、網(wǎng)格邊長（Six，Siy，Siz)、網(wǎng)格中氣、液相流體體積 分數(shù)（(^，(^」）以及任一流體體積分數(shù)的梯度向量% 前述各變量中的 i代表第i個網(wǎng)格，x，y，z代表三維直角坐標系的三條坐標軸方向，g，1分別代表氣相和液 相；
[0009]B.按元素絕對值從小到大（若出現(xiàn)相等的情況，則維持相關(guān)元素原有的相對次 序）的順序?qū)κ噶康脑嘏判?，重排序的新矢量標識為（ni_ a5i_a，ni_b5i_b，ni_。5i_。）（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(nLx 8 Lx)彡abs(叫―y 8i-y)彡abs(nLz 8Lz)，則a=x，b=y，c=z);
[0010] c.對原坐標系x-y-z通過旋轉(zhuǎn)、對稱操作變換為
【主權(quán)項】
1. 一種基于數(shù)值模擬的氣液兩相界面積計算方法，其特征在于：根據(jù)全部或部分計算 區(qū)域采用長方體網(wǎng)格劃分的兩相流VOF數(shù)值模擬結(jié)果計算全部區(qū)域或指定區(qū)域的相界面 積，其步驟如下： A. 讀取待分析區(qū)域內(nèi)各個網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)格中心坐標（Xi，yi，Zi)、網(wǎng)格 邊長（S i x，Si y，Siz)、網(wǎng)格中氣、液相流體體積分數(shù)（Ci g，Cil)以及任一流體體積分數(shù)的 梯度向量E ，前述各變量中的i代表第i個網(wǎng)格，X，y，z代表三維直角坐 標系的三條坐標軸方向，g, 1分別代表氣相和液相； B. 按元素絕對值從小到大的順序?qū)κ噶縊ii^ δ υ,ηυ δ 的元素排序，如 果出現(xiàn)相等的情況，則維持相關(guān)元素原有的相對次序，重排序的新矢量標識為Oii a δ i a，ni b δ i_b，ni_。δ i_。），其中，a、b、c互不相同且均屬于集合{x, y, z}; C. 對原坐標系x-y-z通過旋轉(zhuǎn)、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為邏輯運算，等式成立運算結(jié)果為1，否則運算結(jié)果為〇， 其中p = a, b, c，q = X，y, z，并規(guī)定當Iiui= 0時
，坐標變換后，界面的法向量 ，計算網(wǎng)格沿新坐標三個坐標軸方向的邊長依次為Si a、δ i-b、δ i-C;
D. 對相界面形貌進行分類的條件如下：
上述各式中，C = min (Cij5, Cu)，V = δ U δ ij3 δ t。為長方體網(wǎng)格體積，n a、nb、η。分別 代表abs (I^a)、abs (nij3)、abs (η^。)，另外式中各符號均特指第i個計算網(wǎng)格對應(yīng)的變量，為 了表述方便略去了下標i_ ; E. 由相界面所屬的類型及下述方法確定相界面平面方程Iii ax+ni by+ni= d中的待 定常數(shù)d : typel ：d3= 6n anbnccv and d na type2 ：d3-(d-na δ a)3= 6n anbnccv and na< d n b type3 ：d3-(d-na δ a)3-(d-nb δ b)3= 6n anbnccv and nb< d and(d ^nc or d na+nb) type4 ：d3- (d-na δ a)3- (d-nb δ b)3- (d-nc Sc)3= 6n anbnccv and nc< d n a+nb type5 :d3- (d-na δ a)3- (d-nb δ b)3+ (d-na δ a-nb δ b)3= 6n anbnccv and na+nb< d 彡 n c 式中各符號均特指第i個計算網(wǎng)格對應(yīng)的變量，為了表述方便略去了下標i_ ; F. 由相界面所屬的類型、相平面方程及下述方法確定相界面積的計算式Ai:
式中各符號均特指第i個計算網(wǎng)格對應(yīng)的變量，為了表述方便略去了下標i_ ; G. 將待分析區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格的相界面積累加即為總相界面積，
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算氣液兩相流相界面積的方法，提出從兩相流VOF數(shù)值模擬結(jié)果中提取各網(wǎng)格對應(yīng)的位置坐標、網(wǎng)格邊長、目標流體體積分數(shù)以及體積分數(shù)梯度向量共四類數(shù)據(jù)；根據(jù)目標流體的體積分數(shù)及其梯度向量將網(wǎng)格內(nèi)的相界面形貌歸為5類；進而按照相界面所屬的類型，依據(jù)網(wǎng)格邊長、目標流體體積分數(shù)以及體積分數(shù)梯度向量三類數(shù)據(jù)確定相界面平面方程關(guān)鍵參數(shù)；根據(jù)相界面平面方程、網(wǎng)格邊長以及體積分數(shù)梯度向量對5類形貌的相界面分別采用不同方法計算其面積。本發(fā)明能有效地獲取兩相流體系中指定時間、空間范圍內(nèi)的相界面積數(shù)據(jù)，能為多種兩相流體系內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)以及物理化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)的定量分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104750943
【申請?zhí)枴緾N201510178217
【發(fā)明人】宋彥坡, 劉志高, 陶焰明, 彭小奇, 陳卓, 周萍, 張建智
【申請人】中南大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月15日