基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法及装置，能够扩展多组分流体的模拟场景，并能节省内存开销。所述方法包括：利用各个组分所占的质量百分比表示待模拟的多组分流体的粒子，并设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程；将采用所述亥姆霍兹自由能方程的Cahn-Hilliard方程整合到预设的粒子模拟器中，得到Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型；利用所述Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型对所述待模拟的多组分流体的运动进行模拟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流体模拟
，具体涉及一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法及装置。
技术介绍
近十年来，多组分流体模拟受到了越来越多的关注和研究。一般多组分流体可被分为两大类，即可混和不可混。而主流的模拟方法也被分为基于网格和基于粒子两大类。对于不可混的多组分流体，Premoze等人于2003年发表论文“Particle-basedsimulationoffluids”，采取了一种叫moving-particlesemi-implicit(MPS)的方法。Hong等人于2005年发表论文“Discontinuousfluids”，采用了volume-of-fluid(VOF)的方法，Boyd和Bridson在2012年发表论文“Multiflipforenergetictwo-phasefluidsimulation”，进一步发展了该方法。Misztal等人于2012年发表论文“Multiphaseflowofimmisciblefluidsonunstructuredmovingmeshes”，采用了有限元方法。相较于不可混的情况，可混的多组分流体能够得到更多视觉丰富的模拟效果，但是模拟也相对更困难。Kang等人在2010年发表论文“Ahybridapproachtomultiplefluidsimulationusingvolumefractions”，Liu等人在2011年发表论文“Realisticsimulationofmixingfluids”，他们都采用了volumefraction的方法分别在基于网格和基于粒子的模拟器中实现了可混多组分流体的模拟。Ren等人于2014年发表论文“Multiple-fluidsphsimulationusingamixturemodel”实现了粒子模拟器上的多组分流体模拟。Kang等人和Liu等人的研究主要基于布朗运动扩散现象处理组分之间的混合。而Ren等人为了模拟更多物理真实的多组分现象，把多组分流体中的driftvelocity考虑到模拟中，从而实现了诸如离心分层等现象的模拟。但是他们的方法没有考虑到能量项，因此不能处理跟能量密切相关的多组分流体现象。Park等人在2008年发表论文“Aunifiedhandlingofimmiscibleandmisciblefluids”，在这篇文章中，他们采用了Cahn-Hilliard方程即能量驱动的方法去统一模拟可混以及不可混的多组分流体现象。但是他们没有对原始的Cahn-Hilliard方程做任何的改变，因此只能被用于模拟最基本的现象。同时他们采用了格子Boltzmann方法(LBM)，这种方法需要巨大的内存开销，并且很难被扩展。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法及装置，能够扩展多组分流体的模拟场景，并能节省内存开销。为此目的，一方面，本专利技术提出一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，包括：利用各个组分所占的质量百分比表示待模拟的多组分流体的粒子，并设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程，其中，所述亥姆霍兹自由能方程为各个组分所占的质量百分比的函数，对每一个粒子的亥姆霍兹自由能方程求偏导得到的各个组分的化学势能只与相应组分的质量百分比相关；将采用所述亥姆霍兹自由能方程的Cahn-Hilliard方程整合到预设的粒子模拟器中，得到Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型；利用所述Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型对所述待模拟的多组分流体的运动进行模拟。另一方面，本专利技术提出一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟装置，包括：设计单元，用于利用各个组分所占的质量百分比表示待模拟的多组分流体的粒子，并设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程，其中，所述亥姆霍兹自由能方程为各个组分所占的质量百分比的函数，对每一个粒子的亥姆霍兹自由能方程求偏导得到的各个组分的化学势能只与相应组分的质量百分比相关；整合单元，用于将采用所述亥姆霍兹自由能方程的Cahn-Hilliard方程整合到预设的粒子模拟器中，得到Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型；模拟单元，用于利用所述Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型对所述待模拟的多组分流体的运动进行模拟。本专利技术实施例所述的基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法及装置，用质量百分比的方式去表示各组分在一个粒子内所占的比例，可以灵活的描述任意组成的混合状态，这便于统一处理可混以及不可混的模拟场景，同时，重新设计Cahn-Hilliard方程的亥姆霍兹自由能方程，相较于未对原始的Cahn-Hilliard方程做任何改变的现有技术，本专利技术从能量的角度出发，能够扩展多组分流体的模拟场景，模拟现有技术不能模拟的场景，比如萃取、部分溶解等，并且，本专利技术将Cahn-Hilliard方程整合到流体模拟器中，相较于采用格子Boltzmann方法的现有技术，本专利技术采用基于粒子的模拟方法，能够节省内存开销，易于对多种场景进行模拟扩展。附图说明图1为本专利技术基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法一实施例的流程示意图；图2为本专利技术基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法另一实施例中用图像显示的亥姆霍兹自由能方程的示意图；图3为本专利技术基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟装置一实施例的方框结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本实施例公开一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，包括：S1、利用各个组分所占的质量百分比表示待模拟的多组分流体的粒子，并设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程，其中，所述亥姆霍兹自由能方程为各个组分所占的质量百分比的函数，对每一个粒子的亥姆霍兹自由能方程求偏导得到的各个组分的化学势能只与相应组分的质量百分比相关(以免在模拟的过程中可能会出现不被期待的组分)；S2、将采用所述亥姆霍兹自由能方程的Cahn-Hilliard方程整合到预设的粒子模拟器中，得到Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型；S3、利用所述Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型对所述待模拟的多组分流体的运动进行模拟。本专利技术实施例所述的基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，用质量百分比的方式去表示各组分在一个粒子内所占的比例，可以灵活的描述任意组成的混合状态，这便于统一处理可混以及不可混的模拟场景，同时，重新设计Cahn-Hilliard方程的亥姆霍兹自由能方程，相较于未对原始的Cahn-Hilliard方程做任何改变的现有技术，本专利技术从能量的角度出发，能够扩展多组分流体的模拟场景，模拟现有技术不能模拟的场景，比如萃取、部分溶解等，并且，本专利技术将Cahn-Hilliard方程整合到流体模拟器中，相较于采用格子Boltzman本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，其特征在于，包括：利用各个组分所占的质量百分比表示待模拟的多组分流体的粒子，并设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程，其中，所述亥姆霍兹自由能方程为各个组分所占的质量百分比的函数，对每一个粒子的亥姆霍兹自由能方程求偏导得到的各个组分的化学势能只与相应组分的质量百分比相关；将采用所述亥姆霍兹自由能方程的Cahn‑Hilliard方程整合到预设的粒子模拟器中，得到Navier‑Stokes‑Cahn‑Hilliard模型；利用所述Navier‑Stokes‑Cahn‑Hilliard模型对所述待模拟的多组分流体的运动进行模拟。

【技术特征摘要】
1.一种基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，其特征在于，包括：利用各个组分所占的质量百分比表示待模拟的多组分流体的粒子，并设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程，其中，所述亥姆霍兹自由能方程为各个组分所占的质量百分比的函数，对每一个粒子的亥姆霍兹自由能方程求偏导得到的各个组分的化学势能只与相应组分的质量百分比相关；将采用所述亥姆霍兹自由能方程的Cahn-Hilliard方程整合到预设的粒子模拟器中，得到Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型；利用所述Navier-Stokes-Cahn-Hilliard模型对所述待模拟的多组分流体的运动进行模拟。2.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，其特征在于，所述设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程，包括：若粒子的组分数大于3，则将每一个粒子的组分划分成至少两个组分组，其中，每个粒子的每两个组分组之间互不可混；对于每一个组分组，设计该组分组的亥姆霍兹自由能方程。3.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，其特征在于，所述设计各个粒子的亥姆霍兹自由能方程，还包括：若粒子的组分数为2，则利用图像显示所述亥姆霍兹自由能方程，其中，所述图像中的x轴上的每一点表示一种质量百分比，其y轴对应于相应质量百分比下的亥姆霍兹自由能的值；或者若粒子的组分数为3，则利用Gibbs三角显示所述亥姆霍兹自由能方程，其中，所述Gibbs三角中的每一点表示一种质量百分比，该点的颜色表示在该质量百分比下的亥姆霍兹自由能的值。4.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，其特征在于，所述Cahn-Hilliard方程为其中，ck为第k种组分的质量百分比，k为整数，t为时间，M为mobility项，μk为第k种组分的化学势能，F为亥姆霍兹自由能方程，ε为预设的参数，n为粒子的组分数。5.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，其特征在于，所述粒子模拟器为SPH粒子模拟器或PBD粒子模拟器。6.根据权利要求5所述的基于亥姆霍兹自由能的多组分流体模拟方法，其特征在于，若所述粒子模拟器为PBD粒子模拟器，所述利用所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡事民，杨涛，常健，任博，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11