移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用

移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用李彥鵬*,關(guān)衛(wèi)省 ，白博峰21 (1長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)険.西安710064 , 2西安交通大學(xué)動(dòng)力工程賽梅詭國(guó)家點(diǎn)實(shí)Ift室，西安710049)摘要：自然界與工程實(shí)際中存在大量的移動(dòng)邊界問(wèn)題模擬和追蹤移動(dòng)邊界的軌跡和發(fā)展， 成為解決這類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵本文在簡(jiǎn)要介紹移動(dòng)邊界問(wèn)題的概念的基礎(chǔ)上首先對(duì)其兩大類(lèi)模擬方 法.Lagrangian方法和Eulerian方法進(jìn)行了比較：然后對(duì)在流體動(dòng)力學(xué)中遇到的移動(dòng)邊界問(wèn)題的常 見(jiàn)數(shù)值模擬方法逐一進(jìn)行了介紹，并對(duì)各自的優(yōu)峽點(diǎn)進(jìn)行了分析與評(píng)述；著重闡述目前處理這類(lèi)問(wèn) 題的主流方法一level set方法:量后應(yīng)用level set方法耦合氣液兩相體系的單一場(chǎng)流動(dòng)方程 采用有限容積方法及顯式時(shí)間步進(jìn)的中心網(wǎng)格ICE (Implicit Continuous-fluid Eulerian)數(shù)值格式 三維模擬了在化工、能源及環(huán)境領(lǐng)域中幾個(gè)典型的氣液兩相流動(dòng)問(wèn)題包括氣水鼓泡床中代泡從 一個(gè)噴嘴形戌和上升的過(guò)程.兩個(gè)大小不同的空氣氣泡在水中自由上升時(shí)的相互作用過(guò)程，水滴與 顆粒正向尊溫確撞過(guò)程以及水滴下落沖擊水面的過(guò)程動(dòng)態(tài)地顯示了 r泡或液滴在上述各種過(guò)程中 的行為模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)戲測(cè)定性吻合.結(jié)果表明level set方法是一科行之有效且大有 前途的處理氣液移動(dòng)邊界何題的方法關(guān)fit詢移動(dòng)邊界fja： level set方法：數(shù)值模擬；氣泡，液滴Numerical Method of the Moving BoundaryProblem and Application to the Gas-liquidTwo Phases FlowYanpeng Li1, Weisheng Guan1, Bofeng Bai2(!.School of Environmental Science and Engineering, Chaogan University. Xian 710064; 2. Stile Key Lab of Multiphase Flow in PowerEngineering, Xi*an Jiiotocg Umvmity, Xian 710049)Abstract:There exist considerable moving boundary problems in nature and engineering application.Tracking the trajectory and evolution of the moving boundaries plays a key role to treat such problems. In this paper, the comparison between Lagrangian approach and Eulerian approach was perfomed first based on the conception of moving boundary problems Secondly, the recent developments in computational techniques pertaining to moving boundary problems in fluid dynamics were presented and their advantages and limitations were outlined. The emphasis here was on the introduction of level set method. Finally the level set method coupled with the one field formulation for two phase flows was employed to simulate several typical gas-liquid two phase flows such as bubble formation from an orifice in air-water bubble column, the interaction of air bubble pairs freely rising in water, an isothermal normal collision between droplet and particle and droplet interaction with李彥Bl (1973 )男，博士.副教授教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(01169)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng) 目(50476049).water surface The simulations were conducted using the finite volume method and an explicit time-marching cell-centered ICE (Implicit Continuous-fluid Eulerian) scheme. The bubble behaviors were dynamically displayed. The qualitative consistency between the simulated results and physical phenomena demonstrates that the level set method is a promising and efficient numerical technique for moving boundary problemskey words: moving boundary problem; level set method; numerical simulation; bubble; droplet1引言移動(dòng)邊界問(wèn)題在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中普遍存在。比如，材料加工工業(yè)中的澆鑄成型中 的固化界面，化學(xué)和生物工程的晶體生長(zhǎng)界面，石油開(kāi)采中的地下油水界面，冰融化、水結(jié) 冰的活動(dòng)邊界，爆炸燃燒的火焰邊界以及液體流動(dòng)的自由表面等等。這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是 都有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)邊界或界面把不同物理、化學(xué)性質(zhì)的區(qū)域分隔開(kāi)，穿過(guò)這些內(nèi)邊界或界面, 組分、相、材料性質(zhì)和流動(dòng)特征急劇變化：在流場(chǎng)的影響下邊界移動(dòng)，反過(guò)來(lái)移動(dòng)邊界又彩 響流場(chǎng)。移動(dòng)邊界問(wèn)題中不僅僅存在動(dòng)量傳遞、傳熱和傳質(zhì)，而且界面的形成和發(fā)展都對(duì)系 統(tǒng)的行為具有重要彩響。這些問(wèn)題固有的非線性加上界面的膨脹、收縮、破碎和粘合等大的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，使得問(wèn)題處理起來(lái)非常閑難。困難主要是因?yàn)橐苿?dòng)邊界本身也是控制流體行 為的方程系統(tǒng)的解的一部分。在求解區(qū)域，場(chǎng)方程必須與內(nèi)邊界的位置同時(shí)求解。從連續(xù)力 學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，界面都是間斷的，非連續(xù)的。在有限網(wǎng)格的限制下，這個(gè)井連續(xù)性需要在時(shí)間 和空間都能正確追蹤。當(dāng)前，關(guān)于移動(dòng)邊界問(wèn)題的研究越來(lái)越受到人們的朿視，也岀現(xiàn)了各種各樣的方法。在 這篇文章里，主要介紹目前使用較多的幾個(gè)移動(dòng)邊界問(wèn)題的數(shù)值方法，著重闡述當(dāng)前的主流 方法一level sei方法。最后，應(yīng)用level set方法處埋了在化工、能源及壞境領(lǐng)域中幾個(gè)典型 的氣液兩相流動(dòng)問(wèn)題。2移動(dòng)邊界問(wèn)題的數(shù)值模擬方法移動(dòng)邊界數(shù)值模擬方法可以分成兩人類(lèi)：表面跟蹤或稱Lagrangian方法，和容積跟蹤或 稱Eulerian方法。這兩類(lèi)方法的主要特點(diǎn)見(jiàn)圖1。從圖上可以看到這兩類(lèi)方法有明顯的不同。(a) Lagrangian 方法(b) Eulenan 方法圖I界面跟蹤的Lagrangia方法和Eulerian方法的比較Fig.l Comparison of Lagrangian and Eulerian methods for tracking interface首先，Lagrangian方法需要不斷地調(diào)整網(wǎng)格以適應(yīng)界面的形狀和位置，從而顯式追蹤界 面的演變，Ift Eulerian方法則采用固定網(wǎng)格，通過(guò)一些特殊函數(shù)推導(dǎo)出界面位置，從而隱式 追蹤界面的演變;其次，在Lagrangian方法中，邊界條件町以直接應(yīng)用在界面上，而在Eulerian 方法中，邊界條件被巧妙地安排在控制方程之中，導(dǎo)致了邊界信息的模糊；最后，Lagrangian 方法處理有大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)比較困難，而Eulerian方法自動(dòng)處理界面的黏合與斷裂，但 是當(dāng)界面是任意形狀時(shí)，也不易得到高精度的解。下面就目前處理移動(dòng)邊界問(wèn)題常用的數(shù)值方法進(jìn)行簡(jiǎn)單地闡述并討論。2.1格子類(lèi)方法最早處理口由表面問(wèn)題的有效方法，是Harlow和Welch捉出的格子類(lèi)(cell-type)方法. 這類(lèi)方法在Euler網(wǎng)格上差分離散，在網(wǎng)格中布置若干標(biāo)記點(diǎn)(Marker)或者流體質(zhì)點(diǎn) (particle)來(lái)標(biāo)記流體通過(guò)追蹤這些標(biāo)記點(diǎn)或質(zhì)點(diǎn)來(lái)模擬自由面的位置，在格子類(lèi)方法中, 最著名的有PIC(particle in cell)121和MAC(marker and cell)等.這類(lèi)方法能給出自由面和移 動(dòng)邊界的粗糙近似，但不能給出更細(xì)致的描述，而且計(jì)算需要巨大的存儲(chǔ)量，尤其不適用在 三維情形。更嚴(yán)重的是當(dāng)界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化大時(shí)，易產(chǎn)生數(shù)值不穩(wěn)定2.2邊界元方法由于能降低問(wèn)題的維數(shù)，邊界元法在峰面追蹤中有廣泛的應(yīng)用邊界元法非常適合線性 問(wèn)題。對(duì)于伴有對(duì)流的非線性問(wèn)題和包括與時(shí)間相關(guān)的邊界條件以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的問(wèn)題， 邊界元法還需要深入地研究。近來(lái)，Spangle等采用邊界元法模擬了噴射霧化過(guò)程中的非 線性非穩(wěn)定現(xiàn)象.在他們的工作中，非穩(wěn)態(tài)液體射流行為由Laplace方程控制，即流動(dòng)被認(rèn) 為是不可壓縮無(wú)粘流.23 非結(jié)構(gòu)化移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)移動(dòng)網(wǎng)格法就是將計(jì)算區(qū)域中離散化后的網(wǎng)格，根據(jù)界面位置而移動(dòng).Unverdi和 Tryggvason151提出了一個(gè)移動(dòng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合固定網(wǎng)格的方法來(lái)追蹤有大變形的氣泡 的運(yùn)動(dòng).這個(gè)方法便用與邊界一致的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格使得重分網(wǎng)格非常接近于界面.另外， Unverdi和Tryggvason的研究將表面張力的影響轉(zhuǎn)移為體積力的形式，并基于加權(quán)函數(shù)將體 積力分配在界面附近的網(wǎng)格上盡管這個(gè)方法避免了界面上的數(shù)值擴(kuò)散，但是界面位置仍然 不能精確給定.另外，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限元法也可以處理自由和移動(dòng)邊界問(wèn)題。例如，F(xiàn)ukai等 發(fā)展和應(yīng)用有限元法模擬了液滴的擴(kuò)展與碰撞過(guò)程。在有限元方法范疇內(nèi)，Kassemi和 Naraghi應(yīng)用區(qū)域分解來(lái)捕捉相邊界.有限元方法也被用來(lái)求解實(shí)際的材料加工問(wèn)題，如鑄 造中的湍流流動(dòng)和傳熱國(guó).總之，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)目前有著迅猛的發(fā)展。2.4 相場(chǎng)方法相場(chǎng)方法近年來(lái)得到越來(lái)越多的關(guān)注本方法在固定網(wǎng)格上定義一個(gè)相場(chǎng)變量。假定非 均勻系統(tǒng)的自由能咼一個(gè)局部自由能和一個(gè)能匱梯度之和，局部自由能窖度有兩個(gè)最小值， 每一個(gè)對(duì)應(yīng)一相。最終求解相場(chǎng)的演化方程。關(guān)于相場(chǎng)方法，詳細(xì)內(nèi)容可參見(jiàn)文獻(xiàn)(刃相 場(chǎng)模型也存在一些問(wèn)題.在非平衡狀態(tài)下最小化原理可能不適用.另外，把模型中的常數(shù)及 參數(shù)于實(shí)際系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)并不容易。近來(lái)，Roosen和Taylor1*01提出了一個(gè)計(jì)算晶體生長(zhǎng)的模 型模型很好地追蹤了液固之間的界面，但是曲率的度量通過(guò)假設(shè)晶體為只有有限個(gè)法向方 向的多邊形而筍化.作者報(bào)道他們的方法與其它界面迫蹤方法相比，更容易處理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 變化.2.5體積跟蹤方法體積跟蹤方法厲于Eulerian方法，其界面非顯式跟蹤，然后在每一步重建界面. VOF(volume of fluid)方法在網(wǎng)格系統(tǒng)上定義某種物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)/,體積分?jǐn)?shù)遵循一個(gè)對(duì) 707移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用流輸運(yùn)方程，即VOF方程.每個(gè)網(wǎng)格的/一旦求出.就可以根據(jù)/的值來(lái)構(gòu)造界面在過(guò)去 的二十年.界面構(gòu)造技術(shù)得到了很大的發(fā)展重構(gòu)界面一般包括兩類(lèi)算法.即分段常數(shù)法和 分段線性法.近來(lái)，Kim等人【又提出了二次曲線方法近似界面.體積跟蹤法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在界面流的計(jì)算中，比如液滴動(dòng)力學(xué)，晶體形態(tài)穩(wěn)定性分析和 噴霧動(dòng)力學(xué)等.但是體積跟蹤法有一些缺點(diǎn)需要注意，首先難于計(jì)算曲率及與曲率有關(guān)的物 理童；其次在處理三維何題時(shí).界面的玉構(gòu)比較困難；最后，難于評(píng)價(jià)數(shù)值表面張力近來(lái). BrackbiU等冋發(fā)展了一個(gè)施加表面張力影響的數(shù)值技術(shù)，該技術(shù)將界直邊界條件以加權(quán)方 式分配在界面附近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，從而取代了直接在邊界上應(yīng)用邊界條件.2.6 Level set 方法Level set方法是由Osher和Sethianlu,于1988年提出的一個(gè)新的界面處理方法.Level set方法以其嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述及相關(guān)的數(shù)學(xué)理論背景引起了人們的廣泛關(guān)注，目前己經(jīng)應(yīng)用03 2計(jì)算區(qū)城和Lew】 set函數(shù)的示意圖Fig.2 IHustration of cooputational domain and level set function于如材料加工.流體力學(xué)、圖像處理和計(jì)算機(jī) 視覺(jué)等諸多領(lǐng)域.如圖2所示，在計(jì)算區(qū)域定義一個(gè)等值面 函數(shù)/） 使得界面在任意時(shí)刻都對(duì)應(yīng)于 。仗,0的零等值面，即滿足畑） = 0（1）初始地令ea等于從位置丘到初始界面r（o） 的距離等值面上的粒子按照下面的方程輸運(yùn)dt其中F是笛卡爾坐標(biāo)系上每一點(diǎn)的速度函數(shù).因此，等值面的控制方程為:等 + F 卩 0 | = 0（4）初始界面形狀由初始時(shí)刻的零等值面x,/ = 0） = 0給定.在流體力學(xué)中全局變量F常常釆 用等值鋒面的法向速度Vn.利用雙曲守恒律的數(shù)值方法可以解level set方程.同其它純 Eulerian方法一樣，level set方法可以自動(dòng)捕捉界面的拓?fù)渥兓桥c體積跟蹤方法必須 采用幾何與代數(shù)相結(jié)合的特殊方法不同，level set方程的初值是光滑的符號(hào)距離函數(shù)，因此, 用高精度、高分辨率格式就成為可能.近來(lái).Sussman等【采用level set方法計(jì)算了不可壓 縮氣液兩相流他們的結(jié)果顯示出了高精度.然而，為了避免數(shù)值非穩(wěn)定.他們把界面人為 處理成為有限厚度的窄帶.Level set方法也有一些不足.首先，它不滿足質(zhì)量的守恒性，這是因?yàn)長(zhǎng)evel set方程未 包含任何質(zhì)量守恒的信息；其次它不易處理三種或三種以上的多體界面流；另外由于Level set函數(shù)在計(jì)算過(guò)程中不能保持符號(hào)距離函數(shù)，形響下一刻的計(jì)算，所以重新初始化技術(shù)是 必要的在文獻(xiàn)1習(xí)中.通過(guò)解下面的初值問(wèn)題進(jìn)行垂新初始化：雯"0（%X1-|W|）（5）其中丫是具有距離單位的偽時(shí)間變最.九為重新初始化前的水平集函數(shù)，sign毀示符號(hào)函數(shù).其定義為：式中，方表禾網(wǎng)格尺寸方程(5)般只需要35次迭代即可達(dá)到穩(wěn)定解.3 Level set方法模擬氣泡和液滴的運(yùn)動(dòng)3.1數(shù)值方法從上面的分析知道，level set方法不需要顯式追蹤運(yùn)動(dòng)界面，而且邊界的一些特征(如法 向，曲率等)直接隱含在level set函數(shù)中，便于精細(xì)地描述界面，還易于在三維中使用。因 此，對(duì)于處浬化工、能源以及環(huán)境領(lǐng)域廣泛存在的氣液相界面問(wèn)題很有吸引力在下面對(duì)氣泡和液滴運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬中，假設(shè)氣泡和液滴內(nèi)外的氣液兩相為不可壓縮、 不相混的牛頓型流體在引入了 Level set函數(shù)后，由相界面分隔的氣液兩相體系就可以看 作為單一流體體系，此時(shí)系統(tǒng)的控制方程為上述的level set方程(4X6)與不可壓縮流體的連 續(xù)方程與動(dòng)量方程V-i7 = 0(7)理？町 + V (puu) = -Vp + V (2pD) + pg + otc(0)d9)V0(8)dt其中，百和p分別表示流體的速度與壓力；為粘性應(yīng)力張量；(8)式右邊最后一項(xiàng)表示表面 張力.久k樸 5(0)和0分別代表表面張力系數(shù)、界面曲率、Dirac Delta函數(shù)和level set函(9)數(shù)曲率可由V.(V<b/|V<H)求得.此時(shí)，流體密度研與粘性“9)定義為:網(wǎng))(10)這里下標(biāo)/和g分別表示液相和氣相，H(Q)是一個(gè)Heaviside函數(shù)，定義為(if 0 v if |0| S -eif 0 > (11)0 sin(兀0/)2e In1其中是界面厚度本文計(jì)算中取為1.5倍的網(wǎng)格尺寸需要指出的是，上邊給出的流體密 度與粘性己經(jīng)做了光滑化處理，它使原先在相界面處銳變的流體物性變成了連續(xù)光滑變化, 雖然部分模糊了界面，但是它極大地改善了數(shù)值穩(wěn)定性。此時(shí)，方程(8)中的Delte函數(shù) 被規(guī)整為l + COS(/)2c(12)上述控制方程采用有限容積方法在非交錯(cuò)的中心網(wǎng)格上離散。速度、壓力、水平集函數(shù) 以及物性參數(shù)均定義在網(wǎng)格中心。對(duì)流項(xiàng)的離散采用三階ENO迎風(fēng)格式，其它項(xiàng)的離散采 用二階中心格式離散的方程采用顯式時(shí)間步進(jìn)的ICE (Implicit Continuous-fluid Eulerian)1161 數(shù)值格式進(jìn)行求解-ICE數(shù)值格式有很好的數(shù)值穩(wěn)定性，對(duì)可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng)問(wèn)題均能求解。假設(shè)0" =0(元廣)和丁=歷(丘,廣)分別是廣時(shí)刻的水平集函數(shù)和速度， 則下一時(shí)刻/和=嚴(yán)+ A/的速度與水平集函數(shù)0*的數(shù)值求解步驟如下： 使用中心網(wǎng)格的ICE格式求解控制方程(7)與(8)得到速度場(chǎng)方小與壓力場(chǎng)b"； 求解水平集對(duì)流方程(4)以得到0柏?；诟碌乃俣葓?chǎng)wn+1,采用三階ENO迎風(fēng) 格式計(jì)尊對(duì)流項(xiàng)Hg便用二階TVD Runge-Kutta法推進(jìn)時(shí)間步“ 將作為初始值執(zhí)行重新初始化，解方程(5)和得到嚴(yán)。 借助更新的水平集函數(shù)0切，使用方程(9X10)計(jì)算密度和粘度。計(jì)算方e和常"的時(shí)間步是一樣的，是CFL(Courant-Friedrichs-Levy)條件、粘性和 表面張力的限制共同決定的。計(jì)算區(qū)域的上下邊界分別采用入流和出流邊界條件：四個(gè)邊壁 上釆用自由滑移邊界條件。3.2氣泡從噴嘴中形成及上升過(guò)程首先計(jì)算在氣水鼓泡床中氣泡從一個(gè)噴嘴形成并上升的過(guò)程。所模擬的彼泡床為一長(zhǎng) 方柱體，其幾何尺寸是：長(zhǎng)x = 2 cm,寬y = 2 cm,高z = 4cm,在底面1E中有一直徑為0.4cm 的噴嘴，空氣以0.10 m/s的速度從此噴嘴引入到靜止的水中。計(jì)算中網(wǎng)格在長(zhǎng)、寬、離三個(gè)(a)/ = 0.025 s(b)A = 0.065 s (c)/ = 0.125 s (d)/ = 0.20 s709移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用#移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用(e)/ = 0.240 s (f)/ = 0.285 s(g)/ = 0.315 s (h)/ = 0.345 s (i) Experimental result1171圖3氣泡在水中的形成與匕升過(guò)程的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of formation and rising of air bubble in water方向上分別被均分為80 x 80 xl60,物性參數(shù)分別為水的密度和粘度是998 kg/m3和0.001 Pa s,空氣的密度和粘度是1.1 kg/m3和1.8* 10-5Pa s,表面張力系數(shù)為0.0728 N/m。圖3表示了氣泡仗水中形成與上升過(guò)程的模擬結(jié)果。從頭三個(gè)氣泡可以看到.氣泡的形 成分為明顯的三個(gè)階段：膨脹.脫離利變形。從第三個(gè)氣泡開(kāi)始，氣范不再是直線上升，而 是搖搖擺擺曲折上升，呈現(xiàn)出明顯地非對(duì)稱性行為。通過(guò)與文獻(xiàn)17的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3i)進(jìn)行 比較.可以發(fā)現(xiàn)本文的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)吻合很好。33 氣泡對(duì)在水中的自由上升過(guò)程初始時(shí)刻靜止的兩個(gè)大小不同的并排的空氣泡在水中上升過(guò)程的模擬結(jié)果如圖4所示. 氣泡直徑分別為0.6 cm和0.8 cm兩氣泡中心間距0.9 cm計(jì)算區(qū)域的幾何尺寸是：x = 5 cm, y = 5cm, z = 6cm.計(jì)算中網(wǎng)格在x、y、z三個(gè)方向上分別被劃分為100x100x120物 性參數(shù)同上.受浮力作用.兩個(gè)氣泡開(kāi)始上升.外形由球形變?yōu)榍虮瓲?，并逐漸接近，然后 分開(kāi)，然后再妾近，再分開(kāi)，計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)兩個(gè)氣泡的聚并現(xiàn)象；整個(gè)上升過(guò)程屮由 于表面張力及氣泡間的相互間作用，氣泡形狀也經(jīng)歷了有規(guī)律的振蕩這個(gè)現(xiàn)象與文獻(xiàn)18 的觀察結(jié)果相符圖4兩個(gè)并排的氣泡在水中上升過(guò)程的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of rising of bubble pairs side by side io water3.4 液滴與球形顆粒碰撞過(guò)程圖5展示了水滴與顆粒正向等溫碰撞的數(shù)值模擬結(jié)果。水滴與顆粒直徑分別為0.4 cm. 和1.2 cm,水澹初始位置離底面1.2 cm,撞擊速度52 cm/s,對(duì)應(yīng)的韋伯?dāng)?shù)為15,計(jì)算區(qū)域 的幾何尺寸耀：x = 2 cm, y = 2cm, z = 2 cm.計(jì)算中網(wǎng)格在x、y、z三個(gè)方向上分別被劃 分為100x100x100。物性參數(shù)同上?？梢钥吹剑谒巫矒舻筋w粒之后即刻在球面上形成 了一層薄膜由于是正向碰撞，薄膜為圓盤(pán)狀.慣性力驅(qū)動(dòng)液滴在球表面擴(kuò)展，而表面張力 與粘性力阻礙這個(gè)擴(kuò)展過(guò)程.結(jié)果，液體質(zhì)量聚集在液膜邊緣形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，許多研究 者在實(shí)驗(yàn)中觀察到這個(gè)結(jié)構(gòu).當(dāng)液膜擴(kuò)展到直徑最大時(shí)，在表面張力作用下，液滴開(kāi)始從顆 粒表面反彈據(jù)作者所知，這是首次用三維直接模擬計(jì)算液滴與顆粒碰撞的過(guò)程。3.5 水満落入水面過(guò)程圖6表示初始時(shí)刻速度為40.5cm/s的水滴降落入水面的過(guò)程.水滴苴徑0.6 cm,水滴 初始位置離底面1.4 cm.液面高度0.6 cm.計(jì)算區(qū)域的幾何尺寸是：x = 2 cm. y-2 cm. z =2 cm計(jì)算中網(wǎng)格在x、y、z三個(gè)方向上分別被劃分為100 x 100 x 100.物性參數(shù)同上. 水滴降落過(guò)程有很輕微的變形，由于慣性在接觸到水面時(shí)繼續(xù)下降，逐漸與水體自由表面融711移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用合：水體自由表面上出現(xiàn)凹坑，并在落入點(diǎn)周?chē)纬梢画h(huán)形:繼而由于表面張力.水面又 繼續(xù)向上反彈，由水滴沖擊形成的波動(dòng)向四周傳遞。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)象完全吻合。t = ( 026$t = 0032 st003Ss20 046$#移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用#移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用圖5水滴與顆粒正向等溫碰撞的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of the isothermal impact of a water droplet onto particle in the normal direction(Ost"0006f"001"t.OOZst-a026f#移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用#移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用圖6水滴從空氣中落入水而后自由面的變化過(guò)程Fig.6 Simulation results of a water droplet impinging on water surface4結(jié)論移動(dòng)邊界問(wèn)題的數(shù)值模擬方法主耍分為L(zhǎng)agrangian方法和Eulerian方法。選用哪種方 法主耍取決丁所研究的問(wèn)題。如果界面的細(xì)節(jié)是次耍的或者界面對(duì)整體流動(dòng)性質(zhì)彩響不大， 使用Eulerian方法是比較有吸引力的。如果需要高精度地維持界面的非連續(xù)性，并且界面彳亍 為是研究的焦點(diǎn),Lagrangian方法具有優(yōu)勢(shì)?？v觀移動(dòng)界面數(shù)值模擬技術(shù)，可以說(shuō)當(dāng)前是level set方法的主流時(shí)期。本文利用level set方法模擬了兒個(gè)典熨的氣液兩相界面派動(dòng)問(wèn)題，包 括氣泡從噴嘴中形成與上升過(guò)程，氣泡對(duì)的相互作用，液滴顆粒碰撞過(guò)程和水滴沖擊水面 過(guò)程。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理過(guò)程定性吻合，說(shuō)明level set方法是一種有效且大有前途的處理氣液移動(dòng)邊界問(wèn)題的數(shù)值方法。參考文獻(xiàn)I Harlow F H, Welch J F. Numerical calculations of time-dq)endent viscous incompressible flow of fluid with free surface (J Phys Fluids, 1965,8:2182-2189.(2J Harlow F H. PIC and its progeny (J). Computer physics communications. 1988,48:13 Harlow F H> Welch J F. Numerical study of large-amplitude firee-surfacc motions J. Phys Fluids 1966, 9:842-851.4 Spangler C 人 Hilbing J 乩 Heister S D. Nonlinear modeling of jet atomization in the wind-induced regime J. Phys Fluids. 1995,7: 964-971 5 Unverdi S Q. Tryggvason G A front-tracking method for viscous incompressible multi-fluid flows (JJ. J Comput Phys, 1992,29:25-37.6 Fukai J, Shiiba X Yamamoto T, et a!. Wetting eflects on the spreading of a liquid droplet colliding with a flat surface: experiment and modeling (J). Phys Fluids, 1995,7: 236-247.7 Kassemi M, Naraghi M H N. Combined heat transfo* and fluid flow analysis of semi-transparent crystals in low-g and 1-g solidification A Transport Phenomena in Solidification C. New York: ASME, 1994, 245-254.8 Thomas B Q Najjar F M. Finite element modeling of tuxbulent fluid flow and heat transfer in continuous casting (JJ.Appl Math Modelling. 1991,15: 226-243.9 Kobayashi R. Modelling and numerical simulations of dendritic crystal growth J. Physica Dt 1993, 63: 410-42310 Roosen A & Taylor J E. Modeling crystal growth in a diffusion field using fully faceted interfaces Jt J Comput Phys, I994t 114: 113-12&(II Hirt C Wt Nichols B D. Vblume of Fluid method for the dynamics of free boundaries J. J Comput Phys, 1981,39:201-22512 Kim S Ot No H C. Second-orda model for free surface convection and inter&ce reconstruction J Int J Numer Meth Fluid. 199& 26: 79-100.13 Brackbil J U9 Kothc D B, Zemacb C. A continuum method for modeling surface tension J. J Comput Phys, 1992, 100:335-354.14 Osher St Sethian J A. Fronts propagating with curvature-dq)endent speed: Algorithms based on Hamilton-Jacobi formulations (J. J Comput Phys, 198& 79:1215 Sussman M9 Fatemi E. Smereka P, et al. An improved level set method for incompressible two-phase flows J, Comput Fluids, 1998,27: 663480.16 Kashiwa B & Padial N T. Rauenzahn RM,ctal. A cell-centered ICE method for multiphase flow simulation A. The pioceeding of ASME Symposium on Numerical Methods for Multiphase Flows (CJ. New York: ASME, 1994. 19-40.17 Chen C and Fan L-S. Discrete simulation of gas-liquid bubble column and gas-liquid-solid fluidized bed J AIChE Joumalt 2004. 50： 288-30LDuineveJd ? C. Bouncing and coalescence of bubble pairs rising at high Reynolds number in pure water or aqueous surfactant solutions J. Applied Sci Research, 1999, 5& 409-439.713移動(dòng)邊界問(wèn)題數(shù)值方法及其在氣液兩相流中的應(yīng)用戸方甑掘作者：李彥鵬，關(guān)衛(wèi)省，白博峰作者單位：季彥鵬關(guān)衛(wèi)省(長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院西安,710064)，白博峰(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西安,710049)被引用次數(shù)：1次本文讀者也讀過(guò)(6條)1. 李玉山具有多層區(qū)域一維熱方程的移動(dòng)邊界問(wèn)題學(xué)位論文20082. 張東升.王秋旺.陶文銓 具有移動(dòng)邊界平行平板通道內(nèi)的層流對(duì)流換熱期刊論文-西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)2002,36(5)3. 王兵.許厚謙.WANG BingXU Houqian含有大位移動(dòng)邊界的復(fù)雜流場(chǎng)的數(shù)值模擬期刊論文-計(jì)算物理2008,25(4)4. 孫博基于DF/FD & LES/F方法的動(dòng)邊界問(wèn)題研究學(xué)位論文20085. 鮑遠(yuǎn)林.周曉陽(yáng).BAO Yuan-lin . ZHOU Xiao-yang移動(dòng)邊界的有限體積KFV方法在一維潰壩波計(jì)算中的應(yīng)用期刊論文-水利學(xué)報(bào)2005,36(12)6. 呂和祥.康曉云 有限長(zhǎng)軸承非穩(wěn)態(tài)油膜力自曲移動(dòng)邊界問(wèn)題的有限條解法期刊論文-計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)2004,21(1)本文鏈接：