液滴碰壁运动的相界面的获取方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及动力机械技术领域，尤其涉及一种液滴碰壁运动的相界面的获取方法 和装置。
【背景技术】
[0002] 在小型高速柴油机中或缸内直喷汽油机中，随着燃油喷射压力的不断升高，喷雾 液滴碰壁现象变得越发明显。燃油液滴碰壁对发动机缸内混合气形成、火焰传播以及排放 污染物形成等均有着极其重要的影响。如何充分利用燃油液滴碰壁现象提高发动机的性 能，已成为内燃机领域的一个研究热点问题。液滴碰壁运动的计算方法可为液滴碰壁运动 的研究提供基础。
[0003] 其中，气液两相流动的计算是液滴碰壁运动计算的基础。VOF方法和Level Set方 法是目前求解气液两相流问题的两种主要方法。但是，VOF方法和Level Set方法的数值 计算稳定性、收敛性以及精确性等都不是很高，其中，VOF函数在相界面处的不连续会导致 解的振荡或参数的陡峭变化被抹平，难于准确计算相界面法向方向、曲率及与曲率有关的 物理量，而对于Level Set函数，其计算过程中产生的不再具有距离函数特征问题并由此导 致质量不守恒是该方法的最大缺陷。
[0004] 另外，在液滴撞击壁面流动的早期数值模拟研究中，往往忽略了壁面润湿性对液 滴运动的影响。相关技术中通过引入接触角反映壁面润湿性能，建立了不同壁面润湿模型， 并对液滴撞击壁面的运动问题进行了数值模拟研究。但是，相关技术中的壁面润湿模型的 精确性及普适性还难以满足液滴撞击壁面运动问题数值计算的需求，另外，相关技术中的 计算方法大多是首先限定液滴撞击壁面后的运动形态（如预先限定液滴撞击壁面后的运 动形态为粘附、铺展、反弹或者破碎等），然后在此基础上再对液滴撞击壁面的运动进行研 究，该计算方法能够得到某种运动形态下液滴撞击壁面后的运动特性，但难以得到液滴碰 壁运动时的普遍规律和运动机制，具较大的局限性。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的 一个目的在于提出一种液滴碰壁运动的相界面的获取方法，该方法大大提高了相界面获取 的准确度。
[0006] 本发明的第二个目的在于提出一种液滴碰壁运动的相界面的获取装置。
[0007] 为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的液滴碰壁运动的相界面的获取方 法，包括以下步骤：S1、根据计算域中计算单元所在的区域对第一相函数和第二相函数进行 初始化，并设定所述计算单元的初始速度；S2、获取两相流流动的单相和混合相控制方程并 求解以获取所述计算单元的速度和压强，并根据所述计算单元的速度和压强对所述计算单 元进行更新；S3、分别对所述第一相函数和所述第二相函数的对流输运方程进行求解，以获 取求解后的第一相函数和第二相函数；S4、判断液滴与壁面是否发生接触；S5、如果是，则 根据壁面润湿模型获取接触角，并根据所述接触角获取相界面的法向向量，以及根据所述 法向向量和所述求解后的第二相函数获取所述相界面的位置，其中，所述相界面为气相区 域和液相区域的交界面；S6、如果否，则根据所述求解后的第一相函数获取所述相界面的法 向向量，并根据所述法向向量和所述求解后的第二相函数获取所述相界面的位置；S7、对所 述求解后的第一相函数进行重新距离化；以及重复执行S2-S7,直至达到预设结束条件，并 将达到所述预设结束条件时的相界面的位置作为最终结果。
[0008] 根据本发明实施例的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，具有以下有益效果：1) 综合了 VOF方法和Level Set方法的优点，克服了 VOF方法存在的相界面方向计算误差较 大和Level Set方法质量不守恒的问题，提高了相界面追踪计算的精度；2)液滴与固体壁 面接触的润湿现象计算以液滴与固体壁面的接触角为基础，采用改进的动态接触角计算充 分考虑液滴与壁面润湿的动态作用，从而提高了液滴与固体壁面润湿作用的计算精度；3) 不需要预先设定液滴碰壁的运动形态，因此该方法更有利于得到液滴碰壁运动的普遍规律 和运动机制。
[0009] 在本发明的一个实施例中，所述第一相函数为Level Set函数，所述第二相函数为 VOF函数。
[0010] 在本发明的一个实施例中，所述两相流流动的单相和混合相控制方程为：
[0011] Vii = O
[0012]
【主权项】
1. 一种液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 根据计算域中计算单元所在的区域对第一相函数和第二相函数进行初始化，并设 定所述计算单元的初始速度； 52、 获取两相流流动的单相和混合相控制方程并求解以获取所述计算单元的速度和压 强，并根据所述计算单元的速度和压强对所述计算单元进行更新； 53、 分别对所述第一相函数和所述第二相函数的对流输运方程进行求解，以获取求解 后的第一相函数和第二相函数； 54、 判断液滴与壁面是否发生接触； 55、 如果是，则根据壁面润湿模型获取接触角，并根据所述接触角获取相界面的法向向 量，以及根据所述法向向量和所述求解后的第二相函数获取所述相界面的位置，其中，所述 相界面为气相区域和液相区域的交界面； 56、 如果否，则根据所述求解后的第一相函数获取所述相界面的法向向量，并根据所述 法向向量和所述求解后的第二相函数获取所述相界面的位置； 57、 对所述求解后的第一相函数进行重新距离化；以及 重复执行S2-S7,直至达到预设结束条件，并将达到所述预设结束条件时的相界面的位 置作为最终结果。
2. 如权利要求1所述的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，所述第一相 函数为Level Set函数，所述第二相函数为VOF函数。
3. 如权利要求2所述的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，所述两相流 流动的单相和混合相控制方程为：
其中，J为速度，P为压强，Φ为所述Level Set相函数，〇为表面张力系数，κ为相界 面曲率，τ为粘性应力张量，ρ为密度，§为重力加速度，Η(Φ)为Heaviside函数。
4. 如权利要求2所述的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，所述第一相 函数和所述第二相函数的对流输运方程分别为：
其中，??为速度，Φ为所述Level Set相函数，F为所述VOF函数。
5. 如权利要求1所述的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，其中，所述壁 面润湿模型包括第一模型和第二模型，所述根据壁面润湿模型获取接触角，具体包括： 获取所述液滴与壁面的接触点的坐标； 根据所述接触点的坐标获取接触线速度； 当所述接触线速度不为0时，根据所述第一模型获取所述接触角； 当所述接触线速度为O时，根据所述第二模型获取所述接触角。
6. 如权利要求5所述的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，其中， 所述第一模型为：
其中，Qd为所述接触角，0a和吣分别为前进接触角和回缩接触角，ea和吣反映了 固液相互作用引起的接触角的滞后性，Ca= μ U/〇，可以反映液体速度对润湿过程接触角 变化的影响，U为所述接触线速度，μ为粘度系数，〇为表面张力系数，λ为无量纲接触线 特征参数，用于反映壁面性质对润湿过程的影响； 所述第二模型为：
其中，Θ d为所述接触角，< 为接触线所在计算单元的速度，上标" 1 "表示接触线所在 的计算单元，Random(x)为值域范围（0,1)间的随机函数，ΘΜ为上一计算时层的接触角。
7. 如权利要求2所述的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，其中，当所述 液滴与所述壁面未发生接触时，通过下述公式获取所述相界面的法向向量：
其中，所述相界面的法向向量为K = (XOW)OV/))，φ为所述Level Set相函数。
8. 如权利要求4所述的液滴碰壁运动的相界面的获取方法，其特征在于，通过下述公 式对所述求解后的第一相函数进行重新距离化：
其中，Λχ、Ay为计算单元横向和纵向尺寸；φ为所述Level Set相函数，Φ。为上一 时层的Φ函数值；?为相界面虚拟的法向扩展速度。
9. 一种液滴碰壁运动的相界面的获取装置，其特征在于，包括：至少一个计算单元，其 中，所述计算单元用于执行以下步骤： S1、根据计算域中计算单元所在的区域对第一相函数和第二相函数进行初始化，并设 定所述计算单元的初始速度； 52、 获取两相流流动的单相和混合相控制方程并求解以获取所述计算单元的速度和压 强，并根据所述计算单元的速度和压强对所述计算单元进行更新； 53、 分别对所述第一相函数和所述第二相函数的对流输运方程进行求解，以获取求解 后的第一相函数和第二相函数； 54、 判断液滴与壁面是否发生接触； 55、 如果是，则根据壁面润湿模型获取接触角，并根据所述接触角获取相界面的法向向 量，以及根据所述法向向量和所述求解后的第二相函数获取所述相界面的位置，其中，所述 相界面为气相区域和液相区域的交界面； 56、 如果否，则根据所述求解后的第一相函数获取所述相界面的法向向量，并根据所述 法向向量和所述求解后的第二相函数获取所述相界面的位置； 57、 对所述求解后的第一相函数进行重新距离化；以及 重复执行S2-S7,直至达到预设结束条件，并将达到所述预设结束条件时的相界面的位 置作为最终结果。
10.如权利要求9所述的液滴碰壁运动的相界面的获取装置，其特征在于，其中，所述 第一相函数为Level Set函数，所述第二相函数为VOF函数，所述壁面润湿模型包括第一模 型和第二模型，所述根据所述壁面润湿模型获取接触角，具体为： 获取所述液滴与壁面的接触点的坐标； 根据所述接触点的坐标获取接触线速度； 当所述接触线速度不为0时，根据所述第一模型获取所述接触角； 当所述接触线速度为0时，根据所述第二模型获取所述接触角。
【专利摘要】本发明公开了一种液滴碰壁运动的相界面的获取方法和装置，所述方法包括：S1、初始化第一和第二相函数，设定计算单元的初始速度；S2、求解控制方程以获取速度和压强，并更新计算单元的速度和压强；S3、求解对流输运方程；S4、判断液滴与壁面是否发生接触；S5、若是，根据壁面润湿模型获取接触角，并根据接触角获取相界面的法向向量，根据法向向量和求解后的第二相函数获取相界面的位置；S6、若否，根据求解后的第一相函数获取法向向量，并根据法向向量和求解后的第二相函数获取相界面的位置；S7、对求解后的第一相函数重新距离化；重复S2-S7直至达到预设结束条件。本发明的方法，大大提高了液滴碰壁运动的相界面获取的准确度。
【IPC分类】G06F17-15
【公开号】CN104834631
【申请号】CN201410573316
【发明人】宋云超
【申请人】北汽福田汽车股份有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2014年10月23日