水/气多介质问题的界面处理方法*

徐 爽,赵 宁,王春武,王东红

(1.南京 航空航天大 学航空宇航 学院,江苏 南 京 210016; 2.南京航空航天大学理学院,江苏 南京210016)

水/气多介质问题的界面处理方法*

徐 爽1,赵 宁1,王春武2,王东红2

(1.南京 航空航天大 学航空宇航 学院,江苏 南 京 210016; 2.南京航空航天大学理学院,江苏 南京210016)

针对不可压缩可压缩水/气多介质问题,提出一种新的界面处理方法。在可压缩水/气界面处构造Riemann问题,在水中设音速趋于无穷大,求解 Riemann问题得到不可压缩可压缩水/气界面处流体的准确流动状态;然后以此状态结合 GFM(ghost fluid method)方法分别为2种流体定义界面边界条件,将两相流 问题转化为单相流问题计算,通过求解level set方程来跟踪界面的位置。对各种不同的界面边界条件定义方法进行了比较,数值模拟结果表明算法能准确地捕捉各类间断的位置,证明了算法的有效性和稳健性。

爆炸力学;Riemann问题;GFM 方法;level set;水/气界面 ;多介质流 动

在多介质问题的数值模拟中,由于水/气物质属性的巨大差异,使得水/气多介质问题成为多介质问题的难点之一。针对具有大密度比的水/气多 介质 问 题,传 统 方 法 主 要 有 3 类[1]:(1)水/气 皆 被 作 为 可压缩流体处理,其中水的状态方程为 Tait方程;(2)水/气皆作为不可压缩流体,这类方法往往用来处理低速水/气多介质运动;(3)水作为不可压流体,气作为可压缩流体,相应的分别采用不可压方程和可压缩欧拉方程作为水/气的流场控制方程。对于第1类方法,由于界面两边的物质属性差异较大,过大的密度比和状态方程差异,容易在界面处产生非物理震荡,并且由于水的刚性很强,声速较大会导致计算时间步长过小,降低计算效率。……