[发明专利]一种模拟推进剂喷注雾化的曲率修正体积函数方法

说明书

本发明提供一种模拟推进剂喷注雾化的曲率修正体积函数方法，所述方法包括：采用VOF方法，求解界面输运方程，更新VOF函数场；采用显式时间推进方法计算预估速度；基于虚拟流体方法离散表面张力项；求解离散压力Poisson方程；利用压力梯度修正速度场；判断是否计算结束。本发明模拟推进剂喷注雾化的曲率修正体积函数方法通过求解得到HF函数增量修正VOF函数，大幅提升局部曲率计算的精度和光滑性，从而实现对推进剂喷注雾化过程的高稳定性数值仿真。

技术领域

本发明涉及计算流体力学技术领域，具体地，涉及一种模拟推进剂喷注雾化的曲率修正体积函数方法。

背景技术

火箭发动机推进剂喷注雾化与燃烧稳定性及推进效率密切相关，推进剂喷注雾化试验研究周期长且耗费巨大。随着计算机硬件和数值模拟方法的进步，采用气液两相流数值模型对喷注雾化过程进行精细化仿真成为研究相关问题的有效手段。气液两相流精细化仿真的主要难点之一是对表面张力作用的准确模拟，表面张力模型的核心问题之一是界面曲率的估算，模型的核心性能往往取决于局部曲率的计算精度。

现有的曲率估算方法主要有基于水平集(Level Set，LS)函数、平滑流体体积(Volume ofFluid，VOF)函数和高度函数(Height Function，HF)等方法。其中，LS方法需要与LS界面输运方法配合使用，平滑VOF和HF方法一般结合VOF界面输运方法使用。传统HF曲率计算方法尽管可以达到空间2阶收敛精度，但计算得到的曲率分布光滑性严重不足，尤其对于较粗的背景网格，非光滑曲率极易产生虚假的、非物理性的毛细波(表面张力波)，一方面，气液界面的虚假毛细波并非真实存在，不能反映实际的物理问题，会对表面张力主导作用下的雾化过程模拟产生严重干扰。另一方面，虚假毛细波的传播速度很快，导致计算时间步长受限严重，在雾化过程的实际模拟中强行采用较大的时间步长容易产生数值稳定性问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种模拟推进剂喷注雾化的曲率修正体积函数方法，该方法通过求解得到HF函数增量修正VOF函数，大幅提升局部曲率计算的精度和光滑性，从而实现对推进剂喷注雾化过程的高稳定性数值仿真。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种模拟推进剂喷注雾化的曲率修正体积函数方法，包括以下步骤：

采用VOF方法，求解界面输运方程，更新VOF函数场；

采用显式时间推进方法计算预估速度；

基于虚拟流体方法离散表面张力项；

求解离散压力Poisson方程；

利用压力梯度修正速度场；

判断是否计算结束。

优选地，所述采用VOF方法，求解界面输运方程，更新VOF函数场的步骤中，所述界面输运方程为：其中Γ(x)为表示网格内自由面的分布的阶跃函数，其在网格内的积分为VOF体积分数C。

优选地，所述采用显式时间推进方法计算预估速度的步骤中，所述预估速度U^*的计算公式为：其中,和分别为对流项、扩散项和外力项，其中，M＝ρU为界面单元的质量通量，F_g表示重力加速度项，F_σ代表表面张力项。

优选地，所述基于虚拟流体方法离散表面张力项的步骤具体包括：基于虚拟流体方法表面张力模型离散F_σ，通过构造压力间断的方式在梯度算子中实现表面张力效应的模拟，其中，为局部曲率，考虑表面张力间断的压力梯度为：

其中，

既包括梯度间断，又包含压力间断特性的的虚拟点压力为：