一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法，包括确立流体控制方程，并离散化流体控制方程；计算域，估算三液滴同时撞击表面液膜时流体流动的影响范围；划分网格，指定离散方程的空间分辨率，在液滴界面和液膜界面处局部精细化网格；初始条件，包括分配气相和液相，确定表面张力、粘度、密度、重力以及液滴撞击速度；边界条件，确定计算域的固体壁面条件和压力出口；求解控制方程参数，指定网格粗化

【技术实现步骤摘要】
一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法


[0001]本专利技术主要涉及液滴撞击仿真模拟的
，具体涉及一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法。

技术介绍

[0002]三液滴碰撞行为广泛存在喷雾过程中，三液滴碰撞行为对雾化过程起到强化作用，是对雾滴群空间运行过程进行分析建模的基础。针对不同的应用领域，碰撞液滴在粒径尺度、工质工况、界面形态等方面存在多样性，液滴间的碰撞形式众多。因此，对三液滴碰撞行为进行研究，得到不同碰撞形式和碰撞条件下液滴的碰撞行为，将有利于人为调控液滴的碰撞过程，增加雾滴聚并比例或分离比例，获得各种应用所需的最佳雾滴粒径和速度分布。
[0003]数值模拟因其快速、高效以及成本低廉优势受到了许多学者的青睐。当下迫切迫切解决的一个技术问题就是：如何能够一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法，以探究液滴撞击液膜动力学过程中的流动传热特性，促进其在化工生产、核能设备、电子元器件散热等领域中的应用价值。Gerris软件是求解描述流体流动的偏微分方程的自由软件程序，它具有以下主要特点：1)求解含时不可压缩变密度Euler、Navier
‑
Stokes方程；2)自适应网格细化：分辨率根据流的特征动态调整；3)时空二阶精度；4)可以灵活的附加源项；5)支持MPI并行、动态负载平衡、并行脱机可视化；6)精确的表面张力模型。基于Gerris软件中成熟的VOF(Volume ofFluid)相界面追踪技术以及自适应动态网格手段完全可以实现对非牛顿单液滴撞击平坦固体表面的仿真模拟。/>[0004]基于VOF相界面追踪和自适应动态网格技术探究三液滴在不同的液膜深度、撞击速度、气相的粘度和密度、液滴表面张力等条件下的动力学行为及其产生相应撞击现象的物理机制，有利于进一步揭示液滴撞击的传热传质效能的作用，了解液滴撞击后流体流动演化形态与流体间、流固界面的热量传导等物理现象，从而为控制传热传质效能提供解决思路。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要提供了一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法用以解决上述
技术介绍
中提出的技术问题，从而能够在误差范围内使用模拟计算取代实验后仍然能获得较为精确的结果。这种仿真模拟方法实现过程简单，能提高计算效率，为研究液滴撞击物体表面润湿现象提供可靠高效的理论指导。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0007]一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法，包括以下步骤：
[0008]S1、确立流体控制方程，并离散化流体控制方程；
[0009]S2、计算域，估算三液滴同时撞击表面液膜时流体流动的影响范围；
[0010]S3、划分网格，指定离散方程的空间分辨率，在液滴界面和液膜界面处局部精细化
网格；
[0011]S4、初始条件，分配气相和液相，确定表面张力、粘度、密度、重力以及液滴撞击速度；
[0012]S5、边界条件，确定计算域的固体壁面条件和压力出口；
[0013]S6、求解控制方程参数，指定网格粗化
‑
细化的判别条件及其阈值，判断库朗数Co是否小于0.5，并求解离散方程；
[0014]S7、输出计算结果为Tecplot格式，显示速度云图和相体积分数云图。
[0015]进一步的，所述步骤S1中，流体控制方程描述了流体本身的静止状态和运动状态以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律，包括质量守恒方程、动量方程以及相体积分数方程：
[0016]质量守恒方程描述流体在单位时间流经单位体积的空间时，流出和流入的质量差与其内部质量变化的代数和为零，即质量守恒定律，
[0017][0018]式中，u≡(u,v)表示为速度矢量；
[0019]动量方程描述假设外力只有体积力和面积力，则物质动量的变化率等于作用在该区域上的体积力和面积力的和，即动量守恒定律，
[0020][0021]式中，ρ为密度，p表示压强，μ为粘度，D定义为g重力加速度，γ
LV
为两相间的界面张力，δ为迪拉克算子，κ为两相间的界面曲率，n为两相间界面法线；
[0022]相体积分数方程描述相之间具有明确相界面的两相流动问题，由于两相流动中的相界面是在不断移动的，在VOF(volume offluid)模型中，不同的流体组分共用一套相体积分数方程，通过引进相体积分数这一变量，实现对每一个计算单元相界面的追踪，
[0023][0024]式中，a
q
表示相体积分数函数，选择液滴为第一相，相体积分数设为a
q
＝1，选择空气为第二相，相分数设为a
q
＝0，在液滴
‑
空气两相界面区a
q
∈(0,1)。
[0025]进一步的，步骤S2中，估算三液滴同时撞击表面液膜时流体流动的影响范围；计算域是流体计算所要考虑的区域，其包含了时间域和空间域，其中空间域是解计算的区域的几何尺寸；
[0026]估算三液滴同时撞击表面液膜时流体流动的影响范围时，根据三液滴同时撞击表面液膜的过程中产生水花及其喷溅夹断后产生二次子液滴的影响范围估算计算域。
[0027]进一步的，所述步骤S3中，划分网格：数值求解流动控制方程，其中网格采用笛卡尔网格对计算域进行划分。
[0028]进一步的，所述步骤S3中，指定离散方程的空间分辨率，在液滴界面和液膜界面处局部细化网格，具体包括以下步骤：
[0029]S31、初始网格，在液滴界面和液膜界面处局部细化网格，笛卡尔网格的加密等级选择9，其余位置加密等级选择6；
[0030]S32、动态自适应网格，液滴撞击液膜具有更强的界面变化，采用笛卡尔网格动态自适应细化功能使得物理解变动较大的区域网格自动密集，而在物理解变化平缓区域网格
相对稀疏，这样在保持计算高效率的同时得到高精度的解，在界面演化过程中，网格发生变化，初始的网格不断根据界面实现网格粗化和细化，网格细化的判别条件为：
[0031][0032]式中，Δx为网格的尺寸，α
q
为子网格的体积函数，max|u|为子网格的速度，δ为阈值参量(δ＝0.01)，网格粗化的判别条件为：
[0033][0034]同理，若
[0035][0036]网格的加密等级维持不动。
[0037]进一步的，所述步骤S4中，初始条件指模拟开始初始化参数时赋予变量的初值，分配气相和液相，确定表面张力、粘度、密度、重力以及液滴撞击速度。
[0038]进一步的，所述步骤S5中，边界条件指在求解区域边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律，包括确定计算域的固体壁面条件和压力出口。
[0039]进一步的，所述步骤S5中，设置壁面为自由滑移壁面，其余边界为压力边界，压力为大气压力0.1Mpa。
[0040]进一步的，所述步骤S6中，指定网格粗化
‑
细化的判别条件及其阈值，判断库朗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确立流体控制方程，并离散化流体控制方程；S2、计算域，估算三液滴同时撞击表面液膜时流体流动的影响范围；S3、划分网格，指定离散方程的空间分辨率，在液滴界面和液膜界面处局部精细化网格；S4、初始条件，分配气相和液相，确定表面张力、粘度、密度、重力以及液滴撞击速度；S5、边界条件，确定计算域的固体壁面条件和压力出口；S6、求解控制方程参数，指定网格粗化
‑
细化的判别条件及其阈值，判断库朗数Co是否小于0.5，并求解离散方程；S7、输出计算结果为Tecplot格式，显示速度云图和相体积分数云图。2.根据权利要求1所述的一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，流体控制方程描述了流体本身的静止状态和运动状态以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律，包括质量守恒方程、动量方程以及相体积分数方程：质量守恒方程描述流体在单位时间流经单位体积的空间时，流出和流入的质量差与其内部质量变化的代数和为零，即质量守恒定律，式中，u≡(u,v)表示为速度矢量；动量方程描述假设外力只有体积力和面积力，则物质动量的变化率等于作用在该区域上的体积力和面积力的和，即动量守恒定律，式中，ρ为密度，p表示压强，μ为粘度，D定义为g重力加速度，γ
LV
为两相间的界面张力，δ为迪拉克算子，κ为两相间的界面曲率，n为两相间界面法线；相体积分数方程描述相之间具有明确相界面的两相流动问题，由于两相流动中的相界面是在不断移动的，在VOF(volumeoffluid)模型中，不同的流体组分共用一套相体积分数方程，通过引进相体积分数这一变量，实现对每一个计算单元相界面的追踪，式中，a
q
表示相体积分数函数，选择液滴为第一相，相体积分数设为a
q
＝1，选择空气为第二相，相分数设为a
q
＝0，在液滴
‑
空气两相界面区a
q
∈(0,1)。3.根据权利要求1所述的一种三液滴同时撞击表面液膜的仿真模拟方法，其特征在于，步骤S2中，估算三液滴同时撞击表面液膜时流体流动的影响范围；计算域是流体计算所要考虑的区域，其包含了时间域和空间域，其中空间域是解计算的区域的几何尺寸；估算三液滴同...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏蓉，
申请(专利权)人：安徽信息工程学院，
类型：发明
国别省市：