用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法及系统，涉及液滴演变研究技术领域。对二维轴对称流场进行网格划分，并根据控制方程组计算时间步n时每个网格节点的流场信息；在时间步n时将外形液滴界面曲线分解为有限条曲线，每一条曲线分别离散成多个散点，将界面散点的位置在网格中标定，计算界面散点的流场值；根据界面散点的流场值计算下一时间步n+1时界面散点的位置；将时间步n+1时界面散点的位置带入控制方程组求解，获得时间步n+1时网格节点的流场信息，以此类推，实现对液滴演变过程的实时跟踪。本发明专利技术方法实现了对复杂形状液滴演变过程的精确实时追踪，填补了复杂形状液滴的演变过程追踪的技术空白。补了复杂形状液滴的演变过程追踪的技术空白。补了复杂形状液滴的演变过程追踪的技术空白。

【技术实现步骤摘要】
用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法及系统


[0001]本专利技术涉及液滴演变研究
，更具体的说是涉及一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法及系统。

技术介绍

[0002]液滴处于不相溶环境流体中并发生相对运动时，液滴会在环境流体动力学作用下发生变形甚至破碎，这种液滴演变现象普遍存在于雨滴自由下落、山间的瀑布飞溅、发动机内部液体燃料的喷射雾化、石油工业中的开采运输过程以及化工工业中的搅拌分散工艺等各类自然现象和工程实践中。
[0003]液滴演变过程的实时跟踪是研究不相溶环境液体中液滴演变内在机理的重要支撑，对液滴演变模式的甄别、液滴演变模式之间的转捩、液滴破碎后细小液滴的生成、液滴演变的主导因素以及液滴演变的内在机理等后续研究起着至关重要的作用。现有的研究方法大多关注的是规则圆形液滴演变过程的实时跟踪，对于具有例如内部存在缺陷(石油运输过程中存在的油包水以及水包油现象)、外形不规则(葫芦状)等复杂形状液滴演变过程的实时跟踪关注较少。现有的研究方法均不能对复杂形状液滴的演变过程进行精确的实时追踪。
[0004]因此，如何提供一种能够研究复杂形状液滴演变过程的精确实时追踪方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法及系统，以解决
技术介绍
中存在的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法，具体步骤包括如下：
[0007]对二维轴对称流场进行网格划分，并根据控制方程组计算时间步n时每个网格节点的流场信息；
[0008]在时间步n时将外形液滴界面曲线分解为有限条曲线，每一条曲线分别离散成多个散点，将界面散点的位置在网格中标定，计算所述界面散点的流场值；
[0009]根据所述界面散点的流场值计算下一时间步n+1时界面散点的位置；
[0010]将时间步n+1时界面散点的位置带入所述控制方程组求解，获得时间步n+1时网格节点的流场信息，以此类推，实现对液滴演变过程的实时跟踪。
[0011]可选的，所述控制方程组由连续性方程与纳维尔
‑
斯托克斯方程构成。
[0012]可选的，连续性方程为：其中，u为速度矢量。
[0013]可选的，所述纳维尔
‑
斯托克斯方程为：
[0014][0015]其中，u为速度矢量，p为压力，ρ为密度，f为单位体积力，μ为动力粘，δ
β
为一维Dirac
‑
Delta函数的β次方，二维条件下，β为2，κ'为两相液体界面的曲率，n'为两相液体界面的法向单位向量，x为流场中任意点的坐标，x'为两相液体界面点的坐标，显然δ
β
(x
‑
x')的值除界面位置以外均为0，∫
s
σκ'n'δ
β
(x
‑
x')ds为两相液体界面处的界面张力。
[0016]可选的，还包括在界面处对流体的密度和粘度进行光滑化处理。
[0017]可选的，计算所述界面散点的流场值的步骤为：
[0018]将界面散点的位置在网格中标定，所述界面散点位于所述网格节点组成的网格单元范围内；
[0019]结合所述网格节点的流场信息和权重函数插值求解网格单元范围内所属界面散点的流场值。
[0020]另一方面，一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪系统，包括网格节点流场信息计算模块、界面散点流场值计算模块、类推模块、实时跟踪模块；其中，
[0021]所述网格节点流场信息计算模块，用于对二维轴对称流场进行网格划分，并根据控制方程组计算时间步n时每个网格节点的流场信息；
[0022]所述界面散点流场值计算模块，用于在时间步n时将外形液滴界面曲线分解为有限条曲线，每一条曲线分别离散成多个散点，将界面散点的位置在网格中标定，计算所述界面散点的流场值；
[0023]所述类推模块，用于根据所述界面散点的流场值计算下一时间步n+1时界面散点的位置；
[0024]所述实时跟踪模块，用于将时间步n+1时界面散点的位置带入所述控制方程组求解，获得时间步n+1时网格节点的流场信息，以此类推，实现对液滴演变过程的实时跟踪。
[0025]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法及系统，具有以下有益的技术效果：
[0026](1)实现了对复杂形状液滴演变过程的精确实时追踪；
[0027](2)可为石油开采工业中油水混合物中油包水、水包油等两相流动中油体积率占比的准确预测提供理论指导；
[0028](3)此外，还可为生物学中血液流动时血红蛋白群的动力学行为以及喷墨及3D打印等工程实际中微液滴的复杂变形行为研究提供一种较为可行的界面追踪方法。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0030]图1为本专利技术的方法流程图；
[0031]图2为本专利技术的网格划分示意图；
[0032]图3为本专利技术的第一液滴离散示意图；
[0033]图4为本专利技术的第二液滴离散示意图；
[0034]图5为本专利技术的界面散点标定图；
[0035]图6为本专利技术的求解界面散点流场值示意图；
[0036]图7为本专利技术的系统结构图。
具体实施方式
[0037]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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0038]本专利技术实施例1公开了一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法，流程如图1所示，
[0039]以环境液体中的复杂外形液滴演变过程(两相流动)为例来说明，列举二维轴对称流场中两种具有复杂外形液滴演变过程的实时跟踪流程。二维轴对称流场考虑了真实的三维效应，且相较于三维流场的计算资源消耗更少。
[0040]实现实时跟踪过程的流程：
[0041]1、对二维轴对称流场进行网格划分，如图2所示(图2仅为网格划分的示意图，为实现复杂外形液滴的实时追踪，网格数量要相对较多)；
[0042]2、求解连续性方程与纳维尔
‑
斯托克斯方程构成的控制方程组以获得每个网格节点的流场信息。要实现复杂外形液滴演变过程的实时跟踪，主要是获取网格节点的速度信息。
[0043]具体的控制方程如下：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法，其特征在于，具体步骤包括如下：对二维轴对称流场进行网格划分，并根据控制方程组计算时间步n时每个网格节点的流场信息；在时间步n时将外形液滴界面曲线分解为有限条曲线，每一条曲线分别离散成多个散点，将界面散点的位置在网格中标定，计算所述界面散点的流场值；根据所述界面散点的流场值计算下一时间步n+1时界面散点的位置；将时间步n+1时界面散点的位置带入所述控制方程组求解，获得时间步n+1时网格节点的流场信息，以此类推，实现对液滴演变过程的实时跟踪。2.根据权利要求1所述的一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法，其特征在于，所述控制方程组由连续性方程与纳维尔
‑
斯托克斯方程构成。3.根据权利要求2所述的一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法，其特征在于，连续性方程为：其中，u为速度矢量。4.根据权利要求2所述的一种用于研究复杂形状液滴演变过程的实时追踪方法，其特征在于，所述纳维尔
‑
斯托克斯方程为：其中，u为速度矢量，p为压力，ρ为密度，f为单位体积力，μ为动力粘，δ
β
为一维Dirac
‑
Delta函数的β次方，二维条件下，β为2，κ'为两相液体界面的曲率，n'为两相液体界面的法向单位向量，x为流场中任意点的坐标，x'为两相液体界面点的坐标，显然δ
β
(x
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈善群，廖斌，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：