计算物理 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (4): 440-452.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8460
收稿日期:
2021-10-08
出版日期:
2022-07-25
发布日期:
2022-11-17
通讯作者:
杨宁
作者简介:
李子丰(1995-), 男, 硕士研究生, 研究方向为气液两相流, E-mail: lizifeng@ipe.ac.cn
基金资助:
Zi-feng LI1,2(), Ning YANG2,3,*(
)
Received:
2021-10-08
Online:
2022-07-25
Published:
2022-11-17
Contact:
Ning YANG
摘要:
探讨模拟射流雾化的若干典型VOF(Volume of Fluid)界面重构方法, 并在开源流体力学计算软件OpenFOAM中运用VOF-LPT(Lagrangian Particle Tracking)耦合算法; 该算法兼顾模拟的准确性和计算效率, 可较为准确地模拟从连续液体到离散小液滴的射流雾化过程, 并为更大尺度的模拟提供了一种可行的高效模拟方案。
李子丰, 杨宁. 模拟射流雾化过程的VOF-LPT耦合方法[J]. 计算物理, 2022, 39(4): 440-452.
Zi-feng LI, Ning YANG. A VOF-LPT Coupling Method for Simulating Jet Atomization[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(4): 440-452.
图1 3D耦合算法(相场阈值αt = 0.1,计算时刻t = ti) (a)初始相场;(b)标记液体网格;(c)液滴识别与编号
Fig.1 3D coupling algorithm (phase field threshold αt = 0.1, computing time t = ti) (a) initial phase field; (b) labeling liquid grid; (c) droplet identification and numbering
粗网格(9070 Cells) | 中等网格(36288 Cells) | 细网格(145152 Cells) | |
MULES | 20.2 | 483.2 | 5 032 |
Isoadvector | 68.3 | 397.7 | 5 373 |
PLIC-RD | 43.6 | 400.2 | 4 202 |
表1 不同重构方法(计算核数为6)在不同级别精度网格下的计算时间(单位:s)
Table 1 CPU time (in unit: s) of interface reconstruction methods (with 6 cores) at different mesh resolution
粗网格(9070 Cells) | 中等网格(36288 Cells) | 细网格(145152 Cells) | |
MULES | 20.2 | 483.2 | 5 032 |
Isoadvector | 68.3 | 397.7 | 5 373 |
PLIC-RD | 43.6 | 400.2 | 4 202 |
界面重构方法 | 计算时间/s |
MULES | 52 667 |
Isoadvector | 39 326 |
PLIC-RDF | 48 539 |
表2 模拟来流雾化物理时间0.03 s所需的计算时间(计算核数为10)
Table 2 Computation time for 0.03 s physical time in jet atomization simulation (with 10 cores)
界面重构方法 | 计算时间/s |
MULES | 52 667 |
Isoadvector | 39 326 |
PLIC-RDF | 48 539 |
图7 不同界面重构方法模拟的射流雾化(a) 相场云图;(b) 相场0.5的等值面(颜色表示x方向速度值Ux。)
Fig.7 Jet atomization simulation with different interfacial reconstruction methods (a) phase field ɑ; (b) contours of ɑ = 0.5 colored by velocity Ux
图8 满足阈值转化条件的离散液滴(a) 转化前VOF结果; (b) 转化后的液滴分布
Fig.8 Discrete droplets satisfying transformation threshold (a) VOF results before transformation; (b) droplet distribution after transformation
图9 (a) 离散液滴在(Ux, Uz) 速度平面内的数密度概率分布; (b) Ux速度分布
Fig.9 (a) Number density distribution in (Ux, Uz) plane; (b) Ux velocity distribution of discrete droplets
图10 对撞射流模拟初始条件(D = 635 m, Uj = 18.5 m ·s-1,2α = 60°,We = 2 987,Re = 11 724)
Fig.10 Initial conditions for the simulation of impact jet flow (D = 635 m, Uj=18.5 m ·s-1, 2α = 60°, We = 2 987, Re = 11 724)
图11 撞击流的VOF-LPT模拟(a) Chen等的纯VOF模拟;(b) 本文VOF-LPT模拟;(c) Ryan等的实验结果
Fig.11 VOF-LPT simulation of impact jet flow (a) pure VOF of Chen et al; (b) VOF-LPT in this work; (c) experiment of Ryan et al
图12 识别与捕捉离散液滴前后的液体结构(a) VOF;(b) VOF-LPT
Fig.12 Liquid structure before or after the identification and capture of discrete droplets (a) VOF; (b) VOF-LPT
图13 (a) 离散液滴各速度分量的概率密度分布;(b) 离散液滴两两组合各方向速度的联合概率密度分布
Fig.13 (a) Droplet probability density distributions of discrete droplet velocity components; (b) Joint density distributions of pairwise combination of velocities of discrete droplets
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