液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動(dòng)力機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法 和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在小型高速柴油機(jī)中或缸內(nèi)直噴汽油機(jī)中，隨著燃油噴射壓力的不斷升高，噴霧 液滴碰壁現(xiàn)象變得越發(fā)明顯。燃油液滴碰壁對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣形成、火焰?zhèn)鞑ヒ约芭欧?污染物形成等均有著極其重要的影響。如何充分利用燃油液滴碰壁現(xiàn)象提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性 能，已成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)問(wèn)題。液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的計(jì)算方法可為液滴碰壁運(yùn)動(dòng) 的研究提供基礎(chǔ)。
[0003] 其中，氣液兩相流動(dòng)的計(jì)算是液滴碰壁運(yùn)動(dòng)計(jì)算的基礎(chǔ)。VOF方法和Level Set方 法是目前求解氣液兩相流問(wèn)題的兩種主要方法。但是，VOF方法和Level Set方法的數(shù)值 計(jì)算穩(wěn)定性、收斂性以及精確性等都不是很高，其中，VOF函數(shù)在相界面處的不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致 解的振蕩或參數(shù)的陡峭變化被抹平，難于準(zhǔn)確計(jì)算相界面法向方向、曲率及與曲率有關(guān)的 物理量，而對(duì)于Level Set函數(shù)，其計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的不再具有距離函數(shù)特征問(wèn)題并由此導(dǎo) 致質(zhì)量不守恒是該方法的最大缺陷。
[0004] 另外，在液滴撞擊壁面流動(dòng)的早期數(shù)值模擬研究中，往往忽略了壁面潤(rùn)濕性對(duì)液 滴運(yùn)動(dòng)的影響。相關(guān)技術(shù)中通過(guò)引入接觸角反映壁面潤(rùn)濕性能，建立了不同壁面潤(rùn)濕模型， 并對(duì)液滴撞擊壁面的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。但是，相關(guān)技術(shù)中的壁面潤(rùn)濕模型的 精確性及普適性還難以滿足液滴撞擊壁面運(yùn)動(dòng)問(wèn)題數(shù)值計(jì)算的需求，另外，相關(guān)技術(shù)中的 計(jì)算方法大多是首先限定液滴撞擊壁面后的運(yùn)動(dòng)形態(tài)（如預(yù)先限定液滴撞擊壁面后的運(yùn) 動(dòng)形態(tài)為粘附、鋪展、反彈或者破碎等），然后在此基礎(chǔ)上再對(duì)液滴撞擊壁面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研 究，該計(jì)算方法能夠得到某種運(yùn)動(dòng)形態(tài)下液滴撞擊壁面后的運(yùn)動(dòng)特性，但難以得到液滴碰 壁運(yùn)動(dòng)時(shí)的普遍規(guī)律和運(yùn)動(dòng)機(jī)制，具較大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明的 一個(gè)目的在于提出一種液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，該方法大大提高了相界面獲取 的準(zhǔn)確度。
[0006] 本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提出一種液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取裝置。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面實(shí)施例的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方 法，包括以下步驟：S1、根據(jù)計(jì)算域中計(jì)算單元所在的區(qū)域?qū)Φ谝幌嗪瘮?shù)和第二相函數(shù)進(jìn)行 初始化，并設(shè)定所述計(jì)算單元的初始速度；S2、獲取兩相流流動(dòng)的單相和混合相控制方程并 求解以獲取所述計(jì)算單元的速度和壓強(qiáng)，并根據(jù)所述計(jì)算單元的速度和壓強(qiáng)對(duì)所述計(jì)算單 元進(jìn)行更新；S3、分別對(duì)所述第一相函數(shù)和所述第二相函數(shù)的對(duì)流輸運(yùn)方程進(jìn)行求解，以獲 取求解后的第一相函數(shù)和第二相函數(shù)；S4、判斷液滴與壁面是否發(fā)生接觸；S5、如果是，則 根據(jù)壁面潤(rùn)濕模型獲取接觸角，并根據(jù)所述接觸角獲取相界面的法向向量，以及根據(jù)所述 法向向量和所述求解后的第二相函數(shù)獲取所述相界面的位置，其中，所述相界面為氣相區(qū) 域和液相區(qū)域的交界面；S6、如果否，則根據(jù)所述求解后的第一相函數(shù)獲取所述相界面的法 向向量，并根據(jù)所述法向向量和所述求解后的第二相函數(shù)獲取所述相界面的位置；S7、對(duì)所 述求解后的第一相函數(shù)進(jìn)行重新距離化；以及重復(fù)執(zhí)行S2-S7,直至達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)束條件，并 將達(dá)到所述預(yù)設(shè)結(jié)束條件時(shí)的相界面的位置作為最終結(jié)果。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，具有以下有益效果：1) 綜合了 VOF方法和Level Set方法的優(yōu)點(diǎn)，克服了 VOF方法存在的相界面方向計(jì)算誤差較 大和Level Set方法質(zhì)量不守恒的問(wèn)題，提高了相界面追蹤計(jì)算的精度；2)液滴與固體壁 面接觸的潤(rùn)濕現(xiàn)象計(jì)算以液滴與固體壁面的接觸角為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)接觸角計(jì)算充 分考慮液滴與壁面潤(rùn)濕的動(dòng)態(tài)作用，從而提高了液滴與固體壁面潤(rùn)濕作用的計(jì)算精度；3) 不需要預(yù)先設(shè)定液滴碰壁的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，因此該方法更有利于得到液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律 和運(yùn)動(dòng)機(jī)制。
[0009] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述第一相函數(shù)為L(zhǎng)evel Set函數(shù)，所述第二相函數(shù)為 VOF函數(shù)。
[0010] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述兩相流流動(dòng)的單相和混合相控制方程為：
[0011] Vii = O
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 根據(jù)計(jì)算域中計(jì)算單元所在的區(qū)域?qū)Φ谝幌嗪瘮?shù)和第二相函數(shù)進(jìn)行初始化，并設(shè) 定所述計(jì)算單元的初始速度； 52、 獲取兩相流流動(dòng)的單相和混合相控制方程并求解以獲取所述計(jì)算單元的速度和壓 強(qiáng)，并根據(jù)所述計(jì)算單元的速度和壓強(qiáng)對(duì)所述計(jì)算單元進(jìn)行更新； 53、 分別對(duì)所述第一相函數(shù)和所述第二相函數(shù)的對(duì)流輸運(yùn)方程進(jìn)行求解，以獲取求解 后的第一相函數(shù)和第二相函數(shù)； 54、 判斷液滴與壁面是否發(fā)生接觸； 55、 如果是，則根據(jù)壁面潤(rùn)濕模型獲取接觸角，并根據(jù)所述接觸角獲取相界面的法向向 量，以及根據(jù)所述法向向量和所述求解后的第二相函數(shù)獲取所述相界面的位置，其中，所述 相界面為氣相區(qū)域和液相區(qū)域的交界面； 56、 如果否，則根據(jù)所述求解后的第一相函數(shù)獲取所述相界面的法向向量，并根據(jù)所述 法向向量和所述求解后的第二相函數(shù)獲取所述相界面的位置； 57、 對(duì)所述求解后的第一相函數(shù)進(jìn)行重新距離化；以及 重復(fù)執(zhí)行S2-S7,直至達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)束條件，并將達(dá)到所述預(yù)設(shè)結(jié)束條件時(shí)的相界面的位 置作為最終結(jié)果。
2. 如權(quán)利要求1所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，所述第一相 函數(shù)為L(zhǎng)evel Set函數(shù)，所述第二相函數(shù)為VOF函數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，所述兩相流 流動(dòng)的單相和混合相控制方程為：
其中，J為速度，P為壓強(qiáng)，Φ為所述Level Set相函數(shù)，〇為表面張力系數(shù)，κ為相界 面曲率，τ為粘性應(yīng)力張量，ρ為密度，§為重力加速度，Η(Φ)為Heaviside函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求2所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，所述第一相 函數(shù)和所述第二相函數(shù)的對(duì)流輸運(yùn)方程分別為：
其中，??為速度，Φ為所述Level Set相函數(shù)，F(xiàn)為所述VOF函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，其中，所述壁 面潤(rùn)濕模型包括第一模型和第二模型，所述根據(jù)壁面潤(rùn)濕模型獲取接觸角，具體包括： 獲取所述液滴與壁面的接觸點(diǎn)的坐標(biāo)； 根據(jù)所述接觸點(diǎn)的坐標(biāo)獲取接觸線速度； 當(dāng)所述接觸線速度不為0時(shí)，根據(jù)所述第一模型獲取所述接觸角； 當(dāng)所述接觸線速度為O時(shí)，根據(jù)所述第二模型獲取所述接觸角。
6. 如權(quán)利要求5所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，其中， 所述第一模型為：
其中，Qd為所述接觸角，0a和吣分別為前進(jìn)接觸角和回縮接觸角，ea和吣反映了 固液相互作用引起的接觸角的滯后性，Ca= μ U/〇，可以反映液體速度對(duì)潤(rùn)濕過(guò)程接觸角 變化的影響，U為所述接觸線速度，μ為粘度系數(shù)，〇為表面張力系數(shù)，λ為無(wú)量綱接觸線 特征參數(shù)，用于反映壁面性質(zhì)對(duì)潤(rùn)濕過(guò)程的影響； 所述第二模型為：
其中，Θ d為所述接觸角，< 為接觸線所在計(jì)算單元的速度，上標(biāo)" 1 "表示接觸線所在 的計(jì)算單元，Random(x)為值域范圍（0,1)間的隨機(jī)函數(shù)，ΘΜ為上一計(jì)算時(shí)層的接觸角。
7. 如權(quán)利要求2所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，其中，當(dāng)所述 液滴與所述壁面未發(fā)生接觸時(shí)，通過(guò)下述公式獲取所述相界面的法向向量：
其中，所述相界面的法向向量為K = (XOW)OV/))，φ為所述Level Set相函數(shù)。
8. 如權(quán)利要求4所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法，其特征在于，通過(guò)下述公 式對(duì)所述求解后的第一相函數(shù)進(jìn)行重新距離化：
其中，Λχ、Ay為計(jì)算單元橫向和縱向尺寸；φ為所述Level Set相函數(shù)，Φ。為上一 時(shí)層的Φ函數(shù)值；?為相界面虛擬的法向擴(kuò)展速度。
9. 一種液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取裝置，其特征在于，包括：至少一個(gè)計(jì)算單元，其 中，所述計(jì)算單元用于執(zhí)行以下步驟： S1、根據(jù)計(jì)算域中計(jì)算單元所在的區(qū)域?qū)Φ谝幌嗪瘮?shù)和第二相函數(shù)進(jìn)行初始化，并設(shè) 定所述計(jì)算單元的初始速度； 52、 獲取兩相流流動(dòng)的單相和混合相控制方程并求解以獲取所述計(jì)算單元的速度和壓 強(qiáng)，并根據(jù)所述計(jì)算單元的速度和壓強(qiáng)對(duì)所述計(jì)算單元進(jìn)行更新； 53、 分別對(duì)所述第一相函數(shù)和所述第二相函數(shù)的對(duì)流輸運(yùn)方程進(jìn)行求解，以獲取求解 后的第一相函數(shù)和第二相函數(shù)； 54、 判斷液滴與壁面是否發(fā)生接觸； 55、 如果是，則根據(jù)壁面潤(rùn)濕模型獲取接觸角，并根據(jù)所述接觸角獲取相界面的法向向 量，以及根據(jù)所述法向向量和所述求解后的第二相函數(shù)獲取所述相界面的位置，其中，所述 相界面為氣相區(qū)域和液相區(qū)域的交界面； 56、 如果否，則根據(jù)所述求解后的第一相函數(shù)獲取所述相界面的法向向量，并根據(jù)所述 法向向量和所述求解后的第二相函數(shù)獲取所述相界面的位置； 57、 對(duì)所述求解后的第一相函數(shù)進(jìn)行重新距離化；以及 重復(fù)執(zhí)行S2-S7,直至達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)束條件，并將達(dá)到所述預(yù)設(shè)結(jié)束條件時(shí)的相界面的位 置作為最終結(jié)果。
10.如權(quán)利要求9所述的液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取裝置，其特征在于，其中，所述 第一相函數(shù)為L(zhǎng)evel Set函數(shù)，所述第二相函數(shù)為VOF函數(shù)，所述壁面潤(rùn)濕模型包括第一模 型和第二模型，所述根據(jù)所述壁面潤(rùn)濕模型獲取接觸角，具體為： 獲取所述液滴與壁面的接觸點(diǎn)的坐標(biāo)； 根據(jù)所述接觸點(diǎn)的坐標(biāo)獲取接觸線速度； 當(dāng)所述接觸線速度不為0時(shí)，根據(jù)所述第一模型獲取所述接觸角； 當(dāng)所述接觸線速度為0時(shí)，根據(jù)所述第二模型獲取所述接觸角。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面的獲取方法和裝置，所述方法包括：S1、初始化第一和第二相函數(shù)，設(shè)定計(jì)算單元的初始速度；S2、求解控制方程以獲取速度和壓強(qiáng)，并更新計(jì)算單元的速度和壓強(qiáng)；S3、求解對(duì)流輸運(yùn)方程；S4、判斷液滴與壁面是否發(fā)生接觸；S5、若是，根據(jù)壁面潤(rùn)濕模型獲取接觸角，并根據(jù)接觸角獲取相界面的法向向量，根據(jù)法向向量和求解后的第二相函數(shù)獲取相界面的位置；S6、若否，根據(jù)求解后的第一相函數(shù)獲取法向向量，并根據(jù)法向向量和求解后的第二相函數(shù)獲取相界面的位置；S7、對(duì)求解后的第一相函數(shù)重新距離化；重復(fù)S2-S7直至達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)束條件。本發(fā)明的方法，大大提高了液滴碰壁運(yùn)動(dòng)的相界面獲取的準(zhǔn)確度。
【IPC分類(lèi)】G06F17-15
【公開(kāi)號(hào)】CN104834631
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410573316
【發(fā)明人】宋云超
【申請(qǐng)人】北汽福田汽車(chē)股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2014年10月23日