考虑表面张力的两相流动自适应网格直接数值模拟

摘要

随着算法和计算机浮点运算能力的进步,直接数值模拟逐渐成为分析复杂两相流动机理的有效手段.传统直接数值模拟方法对数值格式耗散控制和网格分辨能力有较高的要求,大幅增加了计算负载.本研究采用多矩有限体积法(CIP-CSL,即Constraint Interpolation Profile-Semi-Lagrangian格式)离散两相流动控制方程;在单元内部使用代数方法重构VOF(Volume of Fluid)界面;同时改进了高度函数法计算局部曲率的精度.除此之外,为保证直接数值模拟计算效率,采用块自适应网格方法对自由面、大速度梯度等关键区域进行局部加密.本研究设计了数值实验,计算表面张力波(Capillary Wave)在不同Laplace数下的自由表面流动不稳定性问题,其自由面变形率与经典势流理论吻合较好.然后,使用该自适应网格求解器对不同Weber数和Reynolds数下的液滴碰撞问题进行了直接数值模拟,数值结果与实验数据进行了比对,充分证明了本方法的数值精度和有效性.