CN111783365B - 应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备 - Google Patents

应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备，用于模拟多相多介质可压缩流动问题，所述方法包括：获取上一时间步的流场状态值作为初始值；基于初始值对流场进行初始化；基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值。如此设置，相对于传统的界面迭代算法(隐式算法)，在保证有足够的计算精度的前提下，能够有效提高计算速度，从而可以很好地在实际工程问题中进行应用。

Description

应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备
技术领域
本申请涉及计算流体力学技术领域，尤其涉及一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备。
背景技术
随着计算机的发展而产生了一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，即计算流体力学，该学科的主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。例如，通过计算机模拟水下爆破过程中的流体力学参数，从而便于对爆破的实际操作过程进行改进和优化。
虚拟介质方法(Ghost Fluid Method，GFM)已经被认为是处理多介质可压缩流体物质界面最成功的方法，GFM算法成功的关键是正确定义虚拟流体属性。目前最成功的改良虚拟介质方法(Modified Ghost Fluid Method，MGFM)利用特征关系来预测界面状态，在该状态下通过近似的黎曼问题求解器(ARPS)求解特征方程，然后使用预测的界面压力，速度和熵来定义虚拟流体。不过，如果将MGFM应用在可压缩固体介质的本构关系中，当低压区域出现在水-固体界面附近时，应用ARPS预测界面状态计算量巨大，导致计算时间很长。因此现有的改良虚拟介质方法在实际大型工程问题中的应用受到很大的限制。
发明内容
本申请提供一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法、装置和设备，以解决现有的虚拟介质方法针对水-固体界面附近出现的低压区域的计算量大、计算时间长的问题。
本申请的上述目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法，用于模拟多相多介质可压缩流动问题，所述方法包括：
获取上一时间步的流场状态值作为初始值，其中，流场状态值包括密度、速度、压强和总能；
基于所述初始值对流场进行初始化；
基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；其中，距离物质界面至少两个网格长度的位置为所述远离物质界面位置；
若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值。
可选的，所述基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值，包括：
基于物质界面两侧介质的密度，通过以下公式分别计算物质界面处的速度和压强，基于计算得到的物质界面处的速度和压强确定物质界面处的密度和总能，最终得到物质界面处的流场状态值：
式中，u表示速度，p表示压强，ρ表示密度，c表示介质中的音速，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题，△t表示时间步长，下标I、IL、IR分别表示物质界面、界面左侧、界面右侧，并且界面左侧的压强大于界面右侧的压强。
可选的，所述方法还包括：
若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强大于或等于预设的压强阈值，通过常规的界面迭代算法计算物质界面处的流场状态值。
可选的，所述方法还包括：
基于多相激波管问题模型，通过计算得到的物质界面处的流场状态值定义虚拟流体；
计算其余各位置的流场状态值。
可选的，基于多相激波管问题模型定义虚拟流体时，物质界面左侧为高压气体，物质界面右侧为水。
第二方面，本申请实施例还提供一种应用于低压界面处理的装置，包括：
获取模块，用于获取上一时间步的流场状态值作为初始值，其中，流场状态值包括密度、速度、压强和总能；
初始化模块，用于基于所述初始值对流场进行初始化；
第一计算模块，用于基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；其中，距离物质界面至少两个网格长度的位置为所述远离物质界面位置；
第二计算模块，用于若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值。
可选的，所述第二计算模块包括：
计算单元，用于基于物质界面两侧介质的密度，通过以下公式分别计算物质界面处的速度和压强，基于计算得到的物质界面处的速度和压强确定物质界面处的密度和总能，最终得到物质界面处的流场状态值：
式中，u表示速度，p表示压强，ρ表示密度，c表示介质中的音速，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题，△t表示时间步长，下标I、IL、IR分别表示物质界面、界面左侧、界面右侧，并且界面左侧的压强大于界面右侧的压强。
可选的，所述装置还包括：
第三计算模块，用于若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强大于或等于预设的压强阈值，通过常规的界面迭代算法计算物质界面处的流场状态值。
可选的，所述装置还包括：
定义模块，用于基于多相激波管问题模型，通过计算得到的物质界面处的流场状态值定义虚拟流体；
第四计算模块，用于计算其余各位置的流场状态值。
第三方面，本申请实施例还提供一种应用于低压界面处理的设备，其特征在于，包括：
存储器和与所述存储器相连接的处理器；
所述存储器，用于存储程序，所述程序至少用于执行上述的应用于低压界面处理的虚拟介质方法；
所述处理器，用于调用并执行所述存储器存储的所述程序。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请的实施例提供的技术方案中，首先对初始化的流场状态值进行初步计算，并基于初步的计算结果确定物质界面附近是不是低压区，如果确定是低压区，则通过显式算法计算物质界面处的流场状态值，相对于传统的界面迭代算法(隐式算法)，在保证有足够的计算精度的前提下，能够有效提高计算速度，从而可以很好地在实际工程问题中进行应用。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种激波管问题模型示意图；
图3为针对本申请实施例所提供的虚拟介质方法的理论解验证的速度场对比结果图；
图4为本申请实施例提供的一种圆柱容器中的球爆炸问题模型示意图；
图5为图4所示问题模型中某个时间段的流场压力等值线图；
图6为本申请实施例提供的一种应用于低压界面处理的装置；
图7为本申请实施例提供的一种应用于低压界面处理的设备。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
为了模拟具有运动物质界面的多介质可压缩流体，人们研究出多种改良虚拟介质方法，包括任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)算法、流体体积(Volume of Fluid，VOF)法和多相平均混合方法，不过目前的这些处理算法都存在各自的问题。其中，ALE算法存在计算量巨大，界面处理不稳定的问题，在复杂工程多相多介质问题中应用困难；VOF方法存在精度较低的问题，对于激波冲击物质界面，无法对波的结构进行准确的解耦；多相平均混合方法虽然效率较高，但是这种方法假设所有介质均匀混合，无法捕捉物质界面，导致其应用范围受限，在水下爆炸等领域无法得到应用。并且，上述各方法也都无法解决现有的虚拟介质方法针对水-固体界面附近出现的低压区域的计算量大、计算时间长的问题。
基于此，本申请提出一种高精度、高效率的可应用于低压界面处理的虚拟介质方法，以及相应的装置和设备。
实施例
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法的流程示意图，该方法用于模拟多相多介质可压缩流动问题。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S101：获取上一时间步的流场状态值作为初始值，其中，流场状态值包括密度、速度、压强和总能；
具体的，本实施例中，在模拟流场时，通常是在计算机中进行的，流场的初始条件由用户设定(输入)，包括多种介质各自的密度、速度、压强和总能，之后基于设定的条件，当某个时间步的所有参数值都已知时，则可以通过算法计算下一时间步的流场状态值，因此计算机软件能够模拟流场不断变化的过程。其中，在过程模拟中，模型将整个过程离散为多个细小的过程，每个细小的过程被称为时间步，而每一步需要的时间称为时间步长。
S102：基于所述初始值对流场进行初始化；
S103：基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；其中，距离物质界面至少两个网格长度的位置为所述远离物质界面位置；
具体的，对于二维通用问题，可压缩流体欧拉坐标系下的控制方程可写为：
式中，ρ表示密度，u和v表示r和z方向的分速度，p表示压强，E＝e+0.5ρ(u2+v2)表示总能，e表示内能，S表示源项，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题。
为了使方程封闭，还需要一个状态方程，例如固体状态方程为：式中，ph(ρ)和s(ρ0,τ0,ρ)分别为水静力和剪切力。
本步骤中，即可基于初始化的流场，通过上述控制方程计算远离物质界面位置的流场状态值，包括密度、速度、压强和总能。此外，以上所说的网格是指流体网格法(fluid-in-cell method)中的网格单元。
S104：若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值。
如上文所述，现有的MGFM算法针对水-固体界面附近出现的低压区域的计算量大、计算时间长，不便于在实际大型工程问题中的应用。
因此，本步骤首先判断物质界面附近是否是低压区域，如果是低压区域，则通过显式算法进行计算，显式算法最大优点是有较好的稳定性，其中动态显式算法采用动力学方程的一些差分格式(例如中心差分法)，不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，因此计算时间短。而传统的隐式算法在每一时间步内都需要对静态平衡方程进行迭代求解，因此计算量很大，计算时间较长。一些实施例中，预设的压强阈值可以设定为220Pa，也即当所述远离物质界面位置的压强小于220Pa时，则通过显式算法进行计算。
一些实施例中，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值的过程包括：
基于物质界面两侧介质的密度，通过以下公式分别计算物质界面处的速度和压强，基于计算得到的物质界面处的速度和压强确定物质界面处的密度和总能，最终得到物质界面处的流场状态值：
式中，u表示速度，p表示压强，ρ表示密度，c表示介质中的音速，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题，△t表示时间步长，下标I、IL、IR分别表示物质界面、界面左侧、界面右侧，并且界面左侧的压强大于界面右侧的压强。
当然，若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强大于或等于预设的压强阈值，则可以基于常规的界面迭代算法(隐式算法)计算物质界面处的流场状态值。其计算过程和公式不再赘述。
本实施例的上述方法可以用经典的激波管问题模型来归纳，如图2所示，假设流体1为高压气体，流体2为水，同时水和气体通过一个挡板隔开，i-2、i-1、i等表示网格点。抽出挡板后，高压气体压缩水就会产生经典的多相流激波管问题。
也就是说，本申请可以基于多相激波管问题模型，通过计算得到的物质界面处的流场状态值定义虚拟流体，从而利用常规方法计算其余各位置的流场状态值。
本申请的实施例提供的技术方案中，首先对初始化的流场状态值进行初步计算，并基于初步的计算结果确定物质界面附近是不是低压区，如果确定是低压区，则通过显式算法计算物质界面处的流场状态值，相对于传统的界面迭代算法(隐式算法)，在保证有足够的计算精度的前提下，能够有效提高计算速度，从而可以很好地在实际工程问题中进行应用。
并且，本发明技术的精度可通过理论解来验证，对于上述的流程计算出所有流场的状态值，图3显示了速度场的对比结果，其中曲线表示理论值，三角形表示当前模拟值。由图3可知本方法精度很高，又由于采用显式算法进行计算，计算速度很快。因此对解决大型实际工程问题具有非常重要的意义。
为了对本申请的技术方案和效果进行更好地说明，如图4所示，以圆柱容器中的球爆炸问题为例，计算区域为可假设为二维轴对称问题，圆柱容器的内外径分别为0.0889m和0.1143m，高度为0.2286m。爆炸气泡的初始条件为压强Pg＝20000bar，密度ρg＝1770kgm3，容重γg＝2.0；容器内水的参数条件为压强pl＝1bar，密度ρl＝1000kg/m3，速度ul＝0.0和vl＝0.0，容重γl＝7.15；圆柱容器固体参数为压强ps＝1.0bar,密度ρs＝7800kgm3,速度us＝0.0和vs＝0.0。
一旦爆炸开始，就会产生强烈的球形冲击，并以指数衰减的强度对称地向外传播。来自容器侧壁的强度降低的反射冲击会冲击膨胀的爆炸气泡，导致气泡表面反射产生强稀疏波，从而在爆炸气泡表面附近会产生空化现象。稀疏波还会在圆柱体的侧壁上产生反射，然后在壁面附近的流场产生空化，接下来空化由于压缩波的压缩而溃灭。这些复杂的波结构是参数容器内压力反复冲击的根本原因。该案例计算进行了120s的时间，以观察复杂流动的演变。图5显示了在某个时间段的流场压力等值线图。
为了对本申请的技术方案进行更全面的说明，对应于本申请上述实施例提供的应用于低压界面处理的虚拟介质方法，本申请实施例还提供一种应用于低压界面处理的装置。
如图6所示，该装置包括：
获取模块21，用于获取上一时间步的流场状态值作为初始值，其中，流场状态值包括密度、速度、压强和总能；
初始化模块22，用于基于所述初始值对流场进行初始化；
第一计算模块23，用于基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；其中，距离物质界面至少两个网格长度的位置为所述远离物质界面位置；
第二计算模块24，用于若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值。
可选的，所述第二计算模块24包括：
计算单元，用于基于物质界面两侧介质的密度，通过以下公式分别计算物质界面处的速度和压强，基于计算得到的物质界面处的速度和压强确定物质界面处的密度和总能，最终得到物质界面处的流场状态值：
式中，u表示速度，p表示压强，ρ表示密度，c表示介质中的音速，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题，△t表示时间步长，下标I、IL、IR分别表示物质界面、界面左侧、界面右侧，并且界面左侧的压强大于界面右侧的压强。
可选的，所述装置还包括：
第三计算模块，用于若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强大于或等于预设的压强阈值，通过常规的界面迭代算法计算物质界面处的流场状态值。
可选的，所述装置还包括：
定义模块，用于基于多相激波管问题模型，通过计算得到的物质界面处的流场状态值定义虚拟流体；
第四计算模块，用于计算其余各位置的流场状态值。
具体的，上述每个功能模块的功能的具体实现方式可以参照上述应用于低压界面处理的虚拟介质方法中的内容来实现，对此不再详述。
为了对本申请的技术方案进行更全面的说明，对应于本申请上述实施例提供的应用于低压界面处理的虚拟介质方法，本申请实施例还提供一种应用于低压界面处理的设备。
如图7所示，该设备包括：
存储器31和与存储器31相连接的处理器32；
存储器31用于存储程序，所述程序至少用于执行上述的应用于低压界面处理的虚拟介质方法；
处理器32用于调用并执行存储器31存储的所述程序。
具体的，该设备可以是计算机或类似的设备，其中程序的功能的具体实现方式可以参照上述应用于低压界面处理的虚拟介质方法中的内容来实现，对此不再详述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种应用于低压界面处理的虚拟介质方法，其特征在于，用于模拟多相多介质可压缩流动问题，所述方法包括：
获取上一时间步的流场状态值作为初始值，其中，流场状态值包括密度、速度、压强和总能；
基于所述初始值对流场进行初始化；
基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；其中，距离物质界面至少两个网格长度的位置为所述远离物质界面位置；
若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值；
其中，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值，包括：
基于物质界面两侧介质的密度，通过以下公式分别计算物质界面处的速度和压强，基于计算得到的物质界面处的速度和压强确定物质界面处的密度和总能，最终得到物质界面处的流场状态值：
式中，u表示速度，p表示压强，ρ表示密度，c表示介质中的音速，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题，△t表示时间步长，下标I、IL、IR分别表示物质界面、界面左侧、界面右侧，并且界面左侧的压强大于界面右侧的压强。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强大于或等于预设的压强阈值，通过常规的界面迭代算法计算物质界面处的流场状态值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于多相激波管问题模型，通过计算得到的物质界面处的流场状态值定义虚拟流体；
计算其余各位置的流场状态值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于多相激波管问题模型定义虚拟流体时，物质界面左侧为高压气体，物质界面右侧为水。
5.一种应用于低压界面处理的装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取上一时间步的流场状态值作为初始值，其中，流场状态值包括密度、速度、压强和总能；
初始化模块，用于基于所述初始值对流场进行初始化；
第一计算模块，用于基于二维通用问题中可压缩流体在欧拉坐标系下的控制方程，计算远离物质界面位置的流场状态值；其中，距离物质界面至少两个网格长度的位置为所述远离物质界面位置；
第二计算模块，用于若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强小于预设的压强阈值，基于显式算法计算物质界面处当前时间步的流场状态值；
其中，所述第二计算模块包括：
计算单元，用于基于物质界面两侧介质的密度，通过以下公式分别计算物质界面处的速度和压强，基于计算得到的物质界面处的速度和压强确定物质界面处的密度和总能，最终得到物质界面处的流场状态值：
式中，u表示速度，p表示压强，ρ表示密度，c表示介质中的音速，r表示半径，n＝0时表示二维轴对称问题，n＝1时表示二维通用问题，△t表示时间步长，下标I、IL、IR分别表示物质界面、界面左侧、界面右侧，并且界面左侧的压强大于界面右侧的压强。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
第三计算模块，用于若上一时间步的物质界面位置的流场状态值中的压强大于或等于预设的压强阈值，通过常规的界面迭代算法计算物质界面处的流场状态值。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：
定义模块，用于基于多相激波管问题模型，通过计算得到的物质界面处的流场状态值定义虚拟流体；
第四计算模块，用于计算其余各位置的流场状态值。
8.一种应用于低压界面处理的设备，其特征在于，包括：
存储器和与所述存储器相连接的处理器；
所述存储器，用于存储程序，所述程序至少用于执行如权利要求1-4任一项所述的应用于低压界面处理的虚拟介质方法；
所述处理器，用于调用并执行所述存储器存储的所述程序。
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