当前位置：文档之家 › 气泡的生成和多种流体的模拟

气泡的生成和多种流体的模拟

  • 格式：pdf
  • 大小：352.06 KB
  • 文档页数：5

第２２卷第９期　２０１０年９月　计算机辅助设计与图形学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２０１０　

气泡的生成和多种流体的模拟　

武小龙　，吴恩华　。　

（中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室北京１００１９０）　（中国科学院研究生院北京１０００４９）　１（澳门大学科学技术学院电脑与资讯科学系　澳门）　（ｗｕｌｏｎｇ＠ｉｏｓ．ａｃ．ｃｎ）　

摘要：为模拟生活中常见的流体现象，提出一种基于物理原理的气泡生成算法，并将应用于２种不可相溶流体模　拟问题的ＶＯＦ（ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ）方法推广到任意多种不可相溶的流体模拟问题．在气泡生成算法中，通过调整模拟　区域速度场的散度值，来模拟在气泡生成过程中由于液体和气体之间的状态转变导致的流体体积膨胀．在扩展的　ＶＯＦ方法中，使用物理学中的Ｓｋｉｎ—Ｏｎｉｏｎ方法将描述不同流体界面的多个ＶＯＦ组合在一起，从而正确地描述任意　多种流体问题．气泡生成和多种流体模拟的实验结果表明，采用文中方法可取得较好的视觉效果．　

关键词：气泡生成；多种流体；ＶＯＦ方法　中图法分类号：ＴＰ３９１．４１　

Ｂｕｂｂｌｅ　Ｃｒｅａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｕｌｔｉ－ｆｌｕｉｄｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

Ｗｕ　Ｘｉａｏｌｏｎｇ　，　ａｎｄ　Ｗｕ　Ｅｎｈｕａ　＇。　

’（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９０）　（Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４９）　”（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍａｃａｕ，Ｍａｃａｏ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａ　ｃｏｍｍｏｎ　ｆｌｕｉｄ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｂｕｂｂｌｅ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｄａｉｌｙ　ｌｉｆｅ，ａ　ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ—ｂａｓｅｄ　

ｂｕｂｂｌｅ　ｃｒｅａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ＶＯＦ（ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　

ｆｌｕｉｄ）ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ　ｆｌｕｉｄｓ，ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ　ｆｌｕｉｄｓ　ｉＳ　ａｌｓｏ　

ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｂｂｌｅ　ｃｒｅａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ　ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｏｆ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ｉｓ　

ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ａｎｄ　ｖａｐｏｒ．　

Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ｖ０Ｆ　ｍｅｔｈｏｄ，Ｓｋｉｎ—Ｏｎｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉＳ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｔｈｅ　ＶＯＦｓ，ｗｈｉｃｈ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　

ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ　ｔｒａｃｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　

ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ａ　ｐｌｅａｓａｎｔ　ｖｉｓｕａｌ　ｅｆｆｅｃｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｕｂｂｌｅ　ｃｒｅａｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉ　ｆｌｕｉｄｓ；ＶＯＦ　ｍｅｔｈｏｄ　

在日常生活中经常可以看到水面下气泡生成的　

现象，如水的沸腾、激烈的化学反应或水下爆炸．在　

计算机图形学中，有关气泡现象的大量研究工作集　

中在气泡生成后运动的模拟，如Ｈｏｎｇ等　提出同　

时考虑液体和气体的运动，并使用界面追踪和ＶＯＦ　方法描述流体的界面；ｗｅｎ等　提出了区域Ｌｅｖｅｌ　

Ｓｅｔ方法，用于模拟气泡在水面上漂浮的现象；Ｈｏｎｇ　

等　。　使用近似的浮力公式描述微小气泡的运动．气　

泡的生成过程十分复杂，是物理学中的重要课题，如　

Ｆａｒｈａｔ等…使用Ｇｈｏｓｔ方法描述水下爆炸中气泡　

收稿日期：２００９—０９—１２；修回日期：２０１０　０２　０１．基金项目：国家自然科学基金重点项目（６０８３３００７，６０７７３０３０）；国家“八六三”高技术研究　发展计划（２００８ＡＡ０１Ｚ３０１）；澳门大学研究基金．武小龙（１９８２～），男，博士研究生，主要研究方向为计算机图形学；吴恩华（１９４７），男，博士，　研究员，博士生导师，ＣＣＦ高级会员，主要研究方向为计算机图形学．

　计算机辅助设计与图形学学报　第２２卷　

的生成；Ｔｈａｎｈ等ｌ＿５　在二维情况下使用ＶＯＦ方法　

进行射流在真空中膨胀的模拟；Ｋｅｌｌｅｒ等　考虑了　

水的可压缩性，模拟在水下爆炸中生成的气泡在膨　

胀过程中的阻尼过程，其基本的思想是考虑气体的　

状态方程，或将气体作为一种可压缩的流体．考虑气　

体状态方程的做法是根据气体的能量、熵、体积、温　

度等状态信息求出在不同时刻气体的压强分布，并　

将此作为液体模拟的边界条件，与液体进行耦合．但　

是，在气体膨胀的过程中，温度、能量、熵的变化，涉　

及液气状态变化、热传导、体积膨胀等多种因素，很　

难对其进行精确的定量分析．将气体作为一种可压　

缩流体的方法，是使用可压缩的流体运动方程模拟　

气体的运动．由于气体膨胀的过程十分迅速，在流体　

中会产生激波；激波在液体的表面发生反射和折射，　

使得计算过于复杂．而且，如何有效地描述激波至今　

也没有一个很好的方法．本文使用Ｄｈｉｒ等　提出的　

薄膜沸腾模型，将气泡生成的过程简化为液气转化　

的过程，在此过程中，气体和液体都作为不可压缩流　

体进行处理．　ＶＯＦ方法主要应用于自由表面问题，如Ｂｅｎｓｏｎｌ８ｊ　

和Ｓｃａｒｄｏｖｅｌｌｉ等　回顾了当前通常使用的基于物　

理的模拟自由表面的方法；Ｒｉｄｅｒ等　。。提出了具有　

二阶精度的基于体积的界面恢复算法；Ｒｕｄｍａｎ＿】　

提出了基于体积追踪的有限体积方法，其在求解过　

程中不需要显式地恢复流体界面；吕浩进等＿ｌ。　优化　

了ＶＯＦ的界面恢复算法，减少了面片之间的缝隙；　

Ｌｉｏｖｉｃ等Ｅ”　提出了求解对流方程算法，在每次更新　

中只需要显式地恢复一次流体界面．Ｖ０Ｆ方法具有　

在模拟的过程中保持体积不变的优点，在计算流体　

界面位置中，它记录流体在计算网格中的体积比例；　

在恢复流体界面时，首先假设在每一个计算网格内　

只有一个流体界面，并且其一阶近似为直线（二维）　

或平面（三维），然后使用高度场的方法得到界面的　

法线方向，最后根据记录的流体的体积比例得到界　

面到网格原点的距离，从而恢复界面，在将ＶＯＦ方　

法应用到多种流体问题时，遇到的首要问题是网格　

中流体的界面将不只一个，从而违反了假设条件．直　

接的做法是首先恢复流体１的界面，然后从计算网　

格所占的空间中去除流体１所占的空间；在剩余的　

空间中恢复流体２的界面；依次进行下去，恢复了”　

一１种流体后，剩余的空间即为流体，ｚ所占的空间．　

可以看出，这种方法虽然可以处理多种流体的问题，　

但是要针对一个三维不规则体恢复界面和求解界面　

与表面相交的比例，使得方法异常复杂，而且需要对　现有的代码进行大的修改，从而增加了软件的维护　

成本．本文应用Ｓｋｉｎ—Ｏｎｉｏｎ方法求解Ｖ０Ｆ的对流　

方程并恢复流体的界面，只需要经过很小的改动，就　

可以处理多种流体的问题．　

在计算机图形学中，模拟多种不可相溶流体的　

主要方法为使用Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ进行模拟，如Ｏｓｈｅｒ　

等　４Ｊ提出使用Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ函数隐式地表示界面的位　

置；Ｌｏｓａｓｓｏ等　５］提出了使用Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ方法表示多　

种流体界面的方法．其基本的思想为，对于每一种不　

可相溶的流体，使用唯一的Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ变量描述其界　

面所在的位置，在模拟的每一个时间步中，首先使用　

对流方程独立地更新每一个Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ变量，然后对　

于界面重叠的部分通过修改描述相应流体的Ｌｅｖｅｌ　

Ｓｅｔ的值（一般选取重叠部分的中位面，重新计算对　

于新的界面的Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ的值），从而消除界面的重　

叠．使用上述的Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ方法虽然可以得到视觉满　

意的效果，但是仍然存在一些问题：首先，Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ　

方法具有在长时间的模拟中液体体积减少的问题．　

在这种计算模式下，这个问题仍然存在，无法保证在　

模拟的过程中各种流体的体积不变．其次，经过人为　

修正后，Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ的值仍然不能保证其表示一个带　

符合的距离场，而且不容易使用通常的初始化方法　

将Ｌｅｖｅｌ　Ｓｅｔ恢复为距离场．在物理学中，多种不可　

相溶流体的模拟工作主要为正确地求解和恢复流体　

界面，如文献［１６—１７］使用界面追踪算法来恢复流体　

的界面；Ａｈｎ等＿１　提出在通用的多面体网格中，根　

据体积比例恢复流体的界面；Ｐｕｃｋｅｔｔ等口　提出了　

在多种流体的情况下如何求解Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程．　

本文使用扩展的ＶＯＦ方法处理多种不可相溶流体　

问题，可以继承ＶＯＦ方法中保持流体体积不变的　

特性，更好地模拟流体的运动．　

１气泡的模拟　

气泡的生命期主要分为２个阶段：１）气泡在液　

体的底部生成；２）气泡在浮力的作用下开始上浮，最　

后在液体的表面破裂．本文对这２个阶段分别采用　

薄膜沸腾模型和两相流模型进行模拟．　

１．１薄膜沸腾模型　

气泡在液体的底部生成和增大，主要是由于液　

体受热发生物态变化，从而转化为蒸气，其中还有一　

小部分是由溶解于液体中的空气由于溶解度的降低　

而析出．本文仅考虑液体受热而发生物态变化的部　

分，并假设蒸气的密度与空气相同；

使用的物理模型

合集下载

【国家自然科学基金】_气泡生成_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803

【国家自然科学基金】_气泡生成_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803

序号科研热词推荐指数序号科研热词1气泡生成21非结构化网格2气泡22气泡堆积法3高速摄影13爆炸烟团4颗粒流动力学理论14燃烧火球5镜像系统15浮力涡环6铁磁颗粒16气泡7钛酸四丁酯17双流体模型8金属/气体共晶18中尺度气象模型9速度19黏附性颗粒动力学模型10边界积分法110高定向热解石墨11质量转化率111颗粒聚团12自适应cartesian网格112频谱分析13聚丙烯酰胺(pam)113非牛顿流体14窄带114阳极氧化15空壳结构115长大16磁场116醇水替换17相变驱动力117聚吡咯18相变及亚稳态118纳米氧气气泡19甘油119纳米气泡20激光成像120离心铸造21激光影像121真空22流化床122电化学原子力显微镜23流体力学123液态金属24气泡模板124流化床25气室125沸腾换热26气固两相流126氧气析出27核化速率127气液固耦合28数值模拟128气液两相流29对流129气泡抑制30多孔金属mg130曲线多边形31多介质131旋涡脱落32塔壁影响132数值模拟33喷嘴内径133形成机理34喷嘴134开放体系35唯象理论135并列双方柱36卡门涡136局部加密37势流理论137尾迹流38六棱柱结构138太阳电池39二维定向凝固139多孔阳极氧化铝(paa)40tio2140声空化41levelset方法141原子力显微镜42信息熵43传热强化44云母45delaunay划分2008年2009年

FLUENT系列资料：7

FLUENT系列资料：7

多相流算例

多相流模拟介绍

在自然界和工程问题中会遇到大量的多相流动。物质一般具有气态、液态和固态三相，但是多相流系统中相的概念具有更为广泛的意义。在多项流动中，所谓的“相”可以定义为具有相同类别的物质，该类物质在所处的流动中具有特定的惯性响应并与流场相互作用。

多相流动模式

根据多相流系统中相的概念，按照下面的原则对多相流分成如下几类：

 气-液或者液-液两相流：

o 气泡流动：连续流体中的气泡或者液泡。

o 液滴流动：连续气体中的离散流体液滴。

o 活塞流动: 在连续流体中的大的气泡

o 分层自由面流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。

 气-固两相流：

o 充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子。

o 气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷、雷诺数和粒子属性等因素。最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各向同性流。

o 流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入筒内。从床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。改变气体的流量，就会有气泡不断的出现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。

 液-固两相流

o 泥浆流：流体中的颗粒输运。液-固两相流的基本特征不同于液体中固体颗粒的流动。在泥浆流中，Stokes数通常小于1。当Stokes数大于1时，流动成为流化（fluidization）了的液-固流动。

o 水力运输: 在连续流体中密布着固体颗粒

o 沉降运动: 在有一定高度的成有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质。随后，流体将会分层，在容器底部因为颗粒的不断沉降并堆积形成了淤积层，在顶部出现了澄清层，里面没有颗粒物质，在中间则是沉降层，那里的粒子仍然在沉降。在澄清层和沉降层中间，是一个清晰可辨的交界面。

 三相流 (上面各种情况的组合) 多相系统的例子

各流动模式对应的例子如下：

 气泡流例子：抽吸，通风，空气泵，气穴，蒸发，浮选，洗刷

fluent 空化计算

fluent 空化计算

fluent 空化计算

Fluent空化计算

引言：

在工程领域中，空化计算是一个重要的计算方法，它可以帮助工程师预测和分析流体在不同条件下的行为。Fluent是一种流体动力学软件，它是空化计算的一种工具。本文将介绍Fluent空化计算的基本原理和应用领域，并阐述该方法在工程实践中的重要性。

一、空化现象的定义和特点

空化是指液体在一定压力下由于温度升高而产生的气泡或气蚀现象。在流体动力学中，空化现象有以下几个特点：

1. 压力下降：当液体中存在气泡时，会导致局部压力下降，从而影响流体的行为。

2. 流动分离：气泡的存在会导致流体的流动分离，使得流体无法正常传递。

3. 热量传递减弱：气泡的存在也会影响流体的热量传递，使得系统的温度分布不均匀。

二、Fluent空化计算的原理

Fluent是一种基于有限体积法的流体动力学软件，它可以对流体中的空化现象进行计算和分析。其计算原理主要包括以下几个方面：

1. 流体动力学模拟：通过数值模拟的方法，利用Navier-Stokes方程描述流体的运动行为，计算流体的速度、压力和温度等参数。

2. 空化模型：Fluent采用不同的空化模型来描述气泡的生成和消失过程，如充气模型、湍流模型等。这些模型可以根据具体情况选择，以准确模拟系统中的空化现象。

3. 网格生成：为了进行计算，需要对空化区域进行网格划分。Fluent提供了丰富的网格生成工具，可以根据实际需要进行网格划分和优化。

4. 数值求解：通过迭代求解流体动力学方程，得到系统的稳态或者暂态解。Fluent采用隐式算法进行求解，能够保证计算的稳定性和收敛性。

三、Fluent空化计算的应用领域

Fluent空化计算在工程实践中有广泛的应用，主要包括以下几个领域：

1. 燃烧系统：在燃烧系统中，空化现象会导致燃烧过程的不稳定和排放物的增加。通过Fluent空化计算，可以优化燃烧系统的设计，提高燃烧效率和环境友好性。

格子boltzmann方法的原理与应用

格子boltzmann方法的原理与应用

格子Boltzmann方法的原理与应用

1. 原理介绍

格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method）是一种基于格子空间的流体模拟方法。它是通过离散化输运方程，以微分方程的形式描述气体或流体的宏观运动行为，通过在格子点上的分布函数进行更新来模拟流体的动态行为。

格子Boltzmann方法的基本原理可以总结为以下几点：

1. 分布函数：格子Boltzmann方法中，将流场看作是由离散的分布函数表示的，分布函数描述了在各个速度方向上的分布情况。通过更新分布函数，模拟流体的宏观行为。

2. 离散化模型：为了将连续的流场问题转化为离散的问题，格子Boltzmann方法将流场划分为一个个的格子点，每个格子点上都有一个对应的分布函数。通过对分布函数进行离散化，实现流场的模拟。

3. 背离平衡态：格子Boltzmann方法假设流体运动迅速趋于平衡态，即分布函数以指定的速度在各个方向上收敛到平衡分布。通过在更新分布函数时引入碰撞过程，模拟流体的运动过程。

4. 离散速度模型：分布函数描述了流体在各个速度方向上的分布情况，而格子Boltzmann方法中使用的离散速度模型决定了分布函数的更新方式。常见的离散速度模型有D2Q9、D3Q15等。

2. 应用领域

格子Boltzmann方法作为一种计算流体力学方法，已经在各个领域得到了广泛的应用。以下是一些常见的应用领域：

2.1 流体力学模拟

格子Boltzmann方法具有良好的可并行性和模拟精度，适用于复杂流体流动的模拟。它可以用于模拟包括自由表面流动、多相流动、多物理场耦合等在内的各种复杂流体力学问题。

2.2 细胞生物力学研究

格子Boltzmann方法在细胞力学研究中也有广泛应用。通过模拟流体在细胞表面的流动，可以研究细胞运动、变形和介观流的形成机制。格子Boltzmann方法在细胞生物力学领域的应用已成为一个重要的研究方向。 2.3 多相流模拟