含相变两相流场的数值计算方法

在潜艇、各类超高速水下兵器，以及航空航天、能源电力、水利、化工和冶金等领域中，含相变的两相流动是关键共性科学问题，对相关物理过程或机械性能有着重要的影响。当液体的局部压力低于其相应温度下的饱和压力时,液体会发生汽化,产生空泡。空化流场中,不可压液体与可压气体并存；汽泡壁附近密度变化巨大,流场不连续；空化的本质是相变,相变是一个强吸热过程,因此,含相变的两相流动本质上是一个非常复杂的热物理过程,是一个有待深入研究的前沿基础理论问题。本项目提出以焓、速度与压力为原始变量, 构建新的流体力学预处理方法, 用能量方程取代传统的空化模型, 研究相变过程中的能量转换与传递特性，用焓与压力为基本变量的状态方程来封闭流体力学方程组；用Roe格式离散对流项,通过Van Leer 提出的状态插值法实现格式的高精度,并通过与实验结果的对比，验证所构造计算方法的准确性,发展与完善含有相变的两相流体力学的计算方法。

含相变两相流动的理论研究,包含了许多有待解决的前沿基本理论与科学问题,如：1)空化过程是一个很强吸热过程,热物理过程是空化过程的本质。２)空泡与其周围的水之间的流场结构复杂,空泡内是可压缩的气体,空泡外是几乎不可压缩的液体. 3)随着潜体的高速前进,空泡不断更新,是一个典型的非定常过程; ４)在空泡壁面上,密度变化巨大,流场存在很强的间断面。本项研究取得的主要进展如下：.1、建立了水的分区状态参数计算方法. 在计算流体力学等其它领域的数值计算中,一旦遇到相变,进入饱和区,此时压力和温度线性相关,即由压力与温度无法得到其他热力参数。而饱和区内,压力与焓是线性无关的,要是采用以压力、焓为基本参量的状态参数计算方法,无需引入Gibbs函数就可以计算其他任何参数。.2、含相变的空化流场模拟的理论方法. 以压力、速度与焓为原始变量,对传统的守恒型变量流体力学基本方程组进行矩阵变换与重构,构建相应的预处理方法。选用压力、速度与焓为原始变量,无论在相变区,还是在非相变区,由压力与焓都可以唯一确定其他所有的状态参数。建立以压力、速度与焓(p,u,v,w,h)为原始变量的新的预处理方法,证明,重构后的流体力学方程组的对流项系数矩阵的所有特征值都与速度处于同一数量级,即方程组永远不会奇异,保证求解过程稳定收敛。. 求解非定常流动问题,除了物理时间层外,还需要构建一个伪时间层,为了提高计算稳定性与计算精度,采用隐式后差格式来离散伪时间层;采用具有二阶精度的三点后差隐格式来离散物理时间层。空间方向上采用Gauss-Seidel线迭代。为了能够捕获间断面,以Roe格式来离散对流项,推导出Roe 格式所需用到的所有特征值及特征向量;通过Van Leer 提出的状态插值法实现格式的二阶以上精度。.3、计算格式及考核.3.1 空间离散格式. 对粘性项采用二阶中心差分格式,对无粘项采用三阶迎风格式。具体地讲,程序采用的空间离散格式有基于MUSCL插值方法的FVS-VanLeer格式和FDS-Roe格式两种。.3.2 时间离散格式. 时间推进格式通常分为显式格式和隐式格式两种。因此本程序采用的是二阶隐式格式, 保证了较高的计算效率。.3.3 考核. 通过各类典型算例,对方法及软件进行了全面的考核,证明本项目提出的理论方法是可行