一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法

本发明涉及液滴撞击仿真，具体是一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法。

背景技术：

1、液滴撞击网状结构广泛存在于物理学、流体力学和材料科学等领域，主要用于多种应用场景，例如喷雾冷却、涂层技术、生物医学实验、工业喷雾器、雾化器或雾化喷嘴的设计等。这种技术的核心是理解液滴与网状结构(如网格、孔隙或网格状表面)的相互作用，包括液滴的破碎、分散、吸附和流动行为。

2、数值模拟因其快速、高效以及成本低廉的优势受到了许多学者的青睐，但当下迫切需要解决的一个技术问题就是：需要一种液滴撞击网状结构的仿真模拟方法，以探究液滴撞击液膜动力学过程中的流动传热特性，促进其在相关领域中的应用价值。相场模块是一种强大的数值模拟工具，主要用于解决涉及相变、扩散和界面动态的问题基于相场理论，将复杂的物理过程简化为一个连续的场，这个场可以描述不同相之间的连续过渡，如固-液、固-气、液-液、固-固相变，以及扩散过程中的界面演化。

3、然而，目前液滴撞击网状结构的行为受到多种因素的影响，其动态行为相对复杂，导致预测变得困难，对其传热传质效能的研究产生巨大的影响，同时，对液滴撞击后流体流动演化形态与流体间、流固界面的热量传导等物理现象的研究也产生了阻碍。

技术实现思路

1、为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法，其利用相场控制方程和欧拉模型，实现了液滴撞击网状结构的聚并离散过程模拟，无需进行繁杂的实验操作。

2、为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法，包括以下步骤：

3、s1、通过阅读相关实验文献得到液滴形成液膜对应的气液参数；

4、所述气液参数包括液体相入口流速u、绝对压力p、导热系数k、体积力源项f、重力矢量g、液体相温度t、位置向量r、参考位置向量rref、气体相和液体相的密度ρ1和ρ2、气体相和液体相的动力粘度μ1和μ2、界面厚度控制参数ε、表面张力系数σ以及相含率φ；

5、s2、基于气液参数，绘制丝网结构模型和液滴模型；

6、液滴模型与丝网结构模型包括以下控制方程：

7、a.液滴在气体相中下落的欧拉模型

8、

9、式中，是梯度算子，下标i＝1,2分别对应气体相和液体相，t为时间，α为体积分数，v为速度场，p为局部压力，fg,i是气液之间的相间作用力；

10、b.navier-stokes方程

11、

12、c.层流初始化方程

13、

14、式中，是拉普拉斯算子，f是外力；

15、d.相场控制方程

16、

17、其中，公式(1)和公式(2)表示的欧拉模型，用于描述液滴在气体相中的运动，公式(3)和公式(4)表示的navier-stokes方程和层流初始化方程，用于描述液滴的初始形状和位置，公式(5)-公式(8)表示的相场控制方程，用于描述液滴表面张力和相变过程；

18、s3、绘制液滴撞击丝网结构模型，划分多个网格自适应区域，进行模拟计算；

19、根据实际液滴和丝网结构的尺寸，等比例缩小绘制液滴撞击丝网结构模型，划分多个网格自适应区域，将s1测定的气液参数分别设置为入口边界条件，在入口端设置液体相入口流速u、绝对压力p、液体相温度t和初始注入时的液滴粒径，对模拟区域设置重力矢量g、表面张力系数σ、气体相的密度ρ1和动力粘度μ1，利用s2中公式(1)-公式(8)获得出口端参数，认定当液滴到达出口端时完成计算；

20、s4、根据s3得出的模拟结果，进行后处理得到液滴撞击丝网结构的速度云图、压力云图、相体积分数云图以及动画，与实验文献的结果进行对比分析判定是否相似，若否，则返回s3重复操作，若是，则输出计算结果。

21、进一步的，所述s3中划分多个网格自适应区域时，对液滴域进行自由四边形网格划分，对丝网结构上下0.05cm范围内进行自由三角形网格划分。

22、进一步的，所述s3中的出口端参数包括气体相的速度场v1、液体相的速度场v2和绝对压力p。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于相界面追踪和自适应动态网格技术探究液滴在不同的浓度、撞击速度、撞击网状结构不同位置等条件下的动力学行为，及其产生相应撞击现象的物理机制，有利于进一步揭示液滴撞击的传热传质效能的作用，了解液滴撞击后流体流动演化形态与流体间、流固界面的热量传导等物理现象，从而为控制传热传质效能提供解决思路。

技术特征：

1.一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法，其特征在于：所述s3中划分多个网格自适应区域时，对液滴域进行自由四边形网格划分，对丝网结构上下0.05cm范围内进行自由三角形网格划分。

3.根据权利要求1所述的一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法，其特征在于：所述s3中的出口端参数包括气体相的速度场v1、液体相的速度场v2和绝对压力p。

技术总结一种基于相场方法液滴撞击网状结构的两相问题模拟方法，涉及液滴撞击仿真技术领域。通过实验文献得到液滴形成液膜对应的气液参数；基于气液参数绘制丝网结构模型和液滴模型，用欧拉模型描述液滴在气体相中的运动，用Navier‑Stokes方程和层流初始化方程描述液滴的初始形状和位置，用相场控制方程描述液滴表面张力和相变过程；绘制液滴撞击丝网结构模型，划分多个网格自适应区域，进行模拟计算；根据得出的模拟结果，进行后处理得到液滴撞击丝网结构的速度云图、压力云图、相体积分数云图以及动画。其利用相场控制方程和欧拉模型，实现了液滴撞击网状结构的聚并离散过程模拟，无需进行繁杂的实验操作。技术研发人员：刘晓刚,孙宏旭,陈巨辉,赵晨希,王宇航,孙海锋受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6