CN111460719B - 适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体力学仿真领域，并具体公开了适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法及其应用。该方法包括对多物理场进行网格分散和粒子分散；利用网格算法对除流场以外的物理场进行求解；将除流场以外的物理场中影响流场运动的物理信息导出，利用SPH算法根据导出的物理信息求解流场，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新流场；将更新后的流场的物理信息导出，并根据其更新除流场以外的物理场；根据更新后的除流场以外的物理场重复以上步骤，直至模拟时间达到结束时间。利用SPH算法求解复杂流场，并利用网格算法对已有物理模型的物理场进行计算，以此克服带有复杂流场界面变化的多物理场问题的仿真难题。
Description
技术领域
本发明属于流体力学仿真领域，更具体地，涉及适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法及其应用。
背景技术
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD))的发展成熟极大的降低了工业设计成本和研发周期，如借助于CFD仿真进行飞机空气动力学外形流线设计，极大的减少了对大型风洞实验的依赖，使得新型飞机的研发周期成倍压缩。计算流体力学已经成为流体力学的重要发展方向，与理论推导、实验观察一同成为现代科学的三大基础研究工具。
目前，基于有限差分、有限体积、有限元等网格类的数值离散方法是商用CFD软件的主流。大量针对专门的物理过程提出的数值求解模型极大的丰富了计算流体力学解决实际物理问题的能力，如辐射模型、电磁模型等。然而网格的存在使得这些数值方法在模拟涉及自由界面极大变形的物理过程时不可避免的要面临网格畸变的困难，使计算效率急剧下降甚至导致计算失败。近年来，无网格粒子方法——光滑粒子流体动力学(SPH)由于能够避免大变形导致的网格畸变得到了越来越多的关注。此外，其拉格朗日框架的粒子体系能够方便的通过在特定位置布置离散粒子点追踪自由表面、变形边界的物质运动，而不需要网格法中复杂的自由界面追踪算法。因此，SPH方法特别适合于对涉及自由表面大变形的流体力学问题的模拟。
目前，科学研究和工业设计中大部分的物理现象存在多物理场的耦合。如融化、热喷涂过程中的热场与流场耦合、磁流体运动中的磁场和流场耦合等。因SPH方法只具备简单的导热热场模拟能力，缺乏更复杂的热场、磁场等其他物理场的求解能力，因此多物理场的求解对于专注于大变形流场求解的SPH方法提出了巨大的难题，成为拓展SPH方法仿真实际物理问题的难点。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法及其应用，其中该方法将网格算法和SPH算法进行耦合，利用SPH算法求解复杂流场，并利用网格算法对已有物理模型的物理场进行计算，从而提供流场变化的物理信息，以此克服带有复杂流场界面变化的多物理场问题的仿真难题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，该方法包括如下步骤：
S1对多物理场的研究区域分别进行网格分散和粒子分散，并对所述多物理场和时间进行初始化；
S2利用网格算法对所述多物理场中除流场以外的物理场进行求解；
S3将所述除流场以外的物理场中影响流场运动的物理信息导出，利用SPH算法根据导出的物理信息求解流场，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新所述流场；
S4将更新后的所述流场的物理信息导出，并根据其更新所述除流场以外的物理场；
S5根据更新后的所述除流场以外的物理场重复步骤S2～S4，直至模拟时间达到结束时间，从而获得所述多物理场随时间的变化情况。
作为进一步优选的，所述除流场以外的物理场包括温度场、电场、磁场和重力场中的一种或多种。
作为进一步优选的，步骤S2中，所述网格算法包括有限体积法或有限元法。
作为进一步优选的，步骤S2中，利用网格算法对温度场进行求解的具体过程为：求解液滴与环境的热传导、对流换热和辐射换热，以此计算离散节点的总焓变，并根据其更新研究区域内的焓值分布。
作为进一步优选的，步骤S2中，利用网格算法对电场进行求解的具体过程为：求解液滴表面电荷在电场作用下的迁移，以此计算电荷迁移后电场强度分布。
作为进一步优选的，当所述除流场以外的物理场为温度场和电场时，步骤S3包括如下子步骤：
S31根据离散节点的焓值、电荷量和电场强度计算SPH粒子的焓值、电荷量和所处位置的电场强度；
S32根据所述SPH粒子的电荷量和所处位置的电场强度计算电场力源项；
S33根据焓值判断相态，对固相区域计算所有固态粒子受到的总外力和总力矩；
S34对液相区域计算表面张力源项，并根据所述表面张力源项、电场力源项以及固态粒子对流体粒子的总外力和总力矩获得SPH粒子的加速度；
S35根据所述SPH粒子的加速度更新SPH粒子的速度和位置，并通过对SPH粒子的追踪确定自由界面位置和电荷随流体流动的迁移，以此更新所述处流程以外的物理场。
按照本发明的另一方面，提供了一种实现上述适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法的装置，该装置包括网格算法模块和SPH模块，其中：所述网格算法模块用于对多物理场中除流场以外的物理场进行求解，并将影响流场运动的物理信息导出，输入到所述SPH模块中；所述SPH模块用于根据输入的信息对所述流场进行求解，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新所述流场和除流场以外的物理场。
作为进一步优选的，所述网格算法包括有限体积法或有限元法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种采用数据交互的方式将网格算法和SPH算法进行耦合的方法，该方法利用网格算法获得除流场以外的物理场的信息，并将该信息作为源项利用SPH算法对流场进行计算，并更新除流场以外的物理场，以此获得多物理场随时间的变化情况，从而有效发挥网格算法对已有的多种物理模型快速求解的优势，并利用SPH算法补充网格算法对自由界面大变形的复杂流场求解能力不足的问题，进而高效准确地实现对涉及自由界面大变形的多物理场的仿真；
2.尤其是，本发明通过对温度场、电场和流场的具体求解方法进行优化，能够进一步提高对含自由界面大变形的多物理场仿真的准确性。
附图说明
图1是本发明提供的适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法的流程图；
图2是带电液滴撞击在固体壁面时利用本发明提供的方法对其进行分散的示意图，其中(a)为几何模型的示意图，(b)为网格分散的示意图，(c)为粒子分散的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，该方法包括如下步骤：
S1对多物理场的研究区域分别进行网格分散和粒子分散，并对多物理场和时间进行初始化；
S2利用网格算法(有限体积法或有限元法)对多物理场中除流场以外的物理场进行求解；
S3将除流场以外的物理场中影响流场运动的物理信息导出，利用SPH算法根据导出的物理信息求解流场，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新流场；
S4将更新后的流场的物理信息导出，并根据其更新除流场以外的物理场的物质分布和自由界面位置；
S5根据更新后的除流场以外的物理场重复步骤S2～S4，直至模拟时间达到结束时间，从而获得多物理场随时间的变化情况。
进一步，除流场以外的物理场包括温度场、电场、磁场和重力场中的一种或多种。
进一步，图2是一个带电液滴撞击在固体壁面时利用本发明提供的方法进行离散的示意图，其中(a)为几何模型的示意图，(b)进行网格分散的示意图，(c)进行粒子分散的示意图。
下面根据具体实施例对本发明作进一步说明，在本实施中，将本发明提供的方法应用于含自由界面大变形的温度场、电场和流场的耦合仿真中，具体包括如下步骤：
S1对多物理场的研究区域分别进行网格分散和粒子分散，并对多物理场和时间进行初始化，由于SPH求解器是一种显式求解器，根据Courant-Friedrichs-Levy(CFL)稳定性条件，确定时间步长Δt；
S2在FEM求解器中对多物理场中除流场以外的物理场进行求解，具体包括：
S21利用FEM算法对温度场进行求解，求解液滴与环境的热传导、对流换热和辐射换热，以此计算离散节点的总焓变，并根据其更新研究区域内的焓值分布；
S22利用FEM算法对电场进行求解，求解液滴表面电荷在电场作用下的迁移，以此计算电荷迁移后电场强度分布；
S3将除流场以外的物理场中影响流场运动的物理信息(焓值分布和电场强度分布)导出，利用SPH算法根据导出的物理信息求解流场，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新流场，具体包括：
S31基于空间插值的方法，根据离散节点的焓值、电荷量、电场强度计算SPH粒子的焓值、带电电荷量和所处位置的电场强度；
S32在SPH求解器中，根据SPH粒子所带电荷量和所处位置的电场强度计算电场力源项；
S33根据焓值判断相态，对固相区域计算所有固态粒子受到的总外力和总力矩，求解固相区域的总线速度和角速度；
S34对液相区域计算表面张力源项，并将表面张力源项、电场力源项以及固态粒子对流体粒子的总外力和总力加入到动量方程中获得SPH粒子的加速度，其中固态粒子对流体粒子的总外力和总力矩为固液相之间的界面力，固态粒子受到的总外力除了包括固液相之间的界面力，还包括所有固态粒子在电场或磁场中受到的外力；
S35使用Velocity-Verlet算法根据SPH粒子的加速度更新SPH粒子的速度和位置，并通过对拉格朗日体系的SPH粒子的追踪，确定自由界面位置和电荷随流体流动的迁移，以此更新处流程以外的物理场；
S4将更新后的流场的物理信息导出，并根据其更新除流场以外的物理场的物质分布和自由界面位置；
S5判断模拟时间是否大于结束时间，若否，则根据更新后的除流场以外的物理场重复步骤S2～S4，若是，则结束，从而获得多物理场随时间的变化情况。
本发明提供的适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，在基于数据交互进行自由界面大变形的CFD求解是，克服了大多数主流商用网格类数值方法网格畸变导致计算效率下降或者计算失败的问题，借助于无网格的光滑粒子流体动力学方法实现对多物理场问题中复杂流场的高效模拟。
按照本发明的另一方面，提供了一种实现上述适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法的装置，该装置包括网格算法模块和SPH模块，其中：网格算法(限体积法或有限元法)模块用于对多物理场中除流场以外的物理场进行求解，并将影响流场运动的物理信息导出，输入到SPH模块中；SPH模块用于根据输入的信息对流场进行求解，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新流场和除流场以外的物理场。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1对多物理场的研究区域分别进行网格分散和粒子分散，并对所述多物理场和时间进行初始化；
S2利用网格算法对所述多物理场中除流场以外的物理场进行求解；
S3将所述除流场以外的物理场中影响流场运动的物理信息导出，利用SPH算法根据导出的物理信息求解流场，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新所述流场；
S4将更新后的所述流场的物理信息导出，并根据其更新所述除流场以外的物理场；
S5根据更新后的所述除流场以外的物理场重复步骤S2～S4，直至模拟时间达到结束时间，从而获得所述多物理场随时间的变化情况；
其中，当所述除流场以外的物理场为温度场和电场时，步骤S3包括如下子步骤：
S31根据离散节点的焓值、电荷量和电场强度计算SPH粒子的焓值、电荷量和所处位置的电场强度；
S32根据所述SPH粒子的电荷量和所处位置的电场强度计算电场力源项；
S33根据焓值判断相态，并对固相区域计算所有固态粒子受到的总外力和总力矩；
S34对液相区域计算表面张力源项，并根据所述表面张力源项、电场力源项以及固态粒子对流体粒子的总外力和总力矩获得SPH粒子的加速度；
S35根据所述SPH粒子的加速度更新SPH粒子的速度和位置，并通过对SPH粒子的追踪确定自由界面位置和电荷随流体流动的迁移，以此更新所述除流场以外的物理场。
2.如权利要求1所述的适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，其特征在于，所述除流场以外的物理场包括温度场、电场、磁场和重力场中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，其特征在于，步骤S2中，所述网格算法包括有限体积法或有限元法。
4.如权利要求1所述的适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，其特征在于，步骤S2中，利用网格算法对温度场进行求解的具体过程为：求解液滴与环境的热传导、对流换热和辐射换热，以此计算离散节点的总焓变，并根据其更新研究区域内的焓值分布。
5.如权利要求1所述的适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法，其特征在于，步骤S2中，利用网格算法对电场进行求解的具体过程为：求解液滴表面电荷在电场作用下的迁移，以此计算电荷迁移后电场强度分布。
6.一种实现如权利要求1～5任一项所述适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法的装置，其特征在于，该装置包括网格算法模块和SPH模块，其中：所述网格算法模块用于对多物理场中除流场以外的物理场进行求解，并将影响流场运动的物理信息导出，输入到所述SPH模块中；所述SPH模块用于根据输入的信息对所述流场进行求解，并通过对SPH粒子的追踪获得自由界面的复杂变形界面，以此更新所述流场和除流场以外的物理场。
7.一种如权利要求6所述的实现适用于含自由界面大变形的多物理场的耦合方法的装置，其特征在于，所述网格算法包括有限体积法或有限元法。
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