[论文解读] Meshfree One-Fluid Modelling of Liquid-Vapor Phase Transitions

Pratik Suchde, Heinrich Kraus+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2022

Numerical methods in engineering被引用 4

一句话总结

本文提出了一种无网格的单相流方法，用于模拟液-汽相变过程，特别是自由表面的汽化和过热界面的相变，且无需显式建模相界面。通过随温度变化的材料属性以及增强的强形式广义有限差分法（GFDM）来捕捉不连续性，该方法能够准确模拟大范围的物性跳跃和复杂的拓扑变化，在射流冲击和莱顿弗罗斯特效应等场景中与实验数据高度吻合。

ABSTRACT

We introduce a meshfree collocation framework to model the phase change from liquid to vapor at or above the boiling point. While typical vaporization or boiling simulations focus on the vaporization from the bulk of the fluid, here we include the possibility of vaporization from the free surface, when a moving fluid comes into contact with a superheated surface. We present a continuum, one-fluid approach in which the liquid and vapor phases are modeled with the same constitutive equations, with different material properties. The novelty here is a monolithic approach without explicit modeling of the interface between the phases, neither in a sharp nor diffuse sense. Furthermore, no interface boundary conditions or source terms are needed between the liquid and vapor phases. Instead, the phase transition is modeled only using material properties varying with temperature. Towards this end, we also present an enrichment of strong form meshfree generalized finite difference methods (GFDM) to accurately capture derivatives in the presence of jumps in density, viscosity, and other physical properties. The numerical results show a good agreement with experimental results, and highlight the ability of our proposed framework to model phase changes with large jumps.

研究动机与目标

• 解决在金属切削过程中因自由表面和固态刀具界面发生沸腾而引起的复杂液-汽相变模拟挑战。
• 克服传统锐界面和扩散界面方法在处理具有多个自由边界、拓扑结构复杂的动态界面时的局限性。
• 开发一种统一的单相流框架，通过将相变完全嵌入温度依赖的材料属性中，避免显式界面追踪或源项的引入。
• 利用增强的强形式无网格方法，实现对相界面上下密度、黏度等物性大跳跃的精确模拟。
• 通过流体射流冲击高温表面的实验数据验证该方法，并展示其模拟莱顿弗罗斯特效应等复杂汽化现象的能力。

提出的方法

• 采用单相流、统一的弱形式，使液相和汽相遵循相同的本构方程，材料属性随温度变化。
• 通过在沸点附近狭窄温度范围内对潜热进行平滑化处理来建模相变，从而无需显式追踪界面。
• 采用无网格广义有限差分法（GFDM）在强形式下近似纳维-斯托克斯方程和能量方程中的空间导数。
• 通过在测试函数空间中引入不连续函数，提升在密度、黏度等物性存在剧烈梯度区域的计算精度。
• 采用拉格朗日框架，自然处理移动边界和自由表面问题，无需重新划分网格。
• 在相变区域采用增强稳定性的压力插值方法，以保持数值计算的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 无界面的单相流方法能否在具有自由表面和移动边界的复杂几何结构中准确模拟液-汽相变？
• RQ2 与传统的基于界面的方法相比，基于温度依赖材料属性的模型在捕捉沸腾动力学和体积膨胀方面表现如何？
• RQ3 增强的强形式无网格方法在未显式解析界面的情况下，能在多大程度上捕捉物性中的大梯度？
• RQ4 所提出的方法能否准确复现流体射流冲击高温表面的实验结果，包括温度演化过程和蒸汽层的形成？
• RQ5 该模型是否能够在不显式追踪界面的情况下模拟莱顿弗罗斯特效应及其他复杂汽化现象？

主要发现

• 该方法成功捕捉了自由表面的汽化以及复杂界面拓扑结构（如射流冲击高温平板时形成的界面）的演化，且无需显式界面追踪。
• 数值结果在温度历史的定性与定量上均与实验数据高度一致，包括加热板背表面的初始振荡和后续稳定趋势。
• 模拟得到的润湿区域和冲击点周围的蒸汽环结构与实验观测结果高度吻合，尽管存在轻微不对称性，提示热传导建模仍有改进空间。
• 由于强形式GFDM中测试函数空间的增强，该方法能准确模拟相变区域中密度和黏度的显著跳跃。
• 首次模拟成功展示了该方法对莱顿弗罗斯特效应的模拟能力，表明其在高温流体动力学领域具有广泛应用潜力。
• 该方法可在拉格朗日框架下实现稳定模拟，即使在大变形和流体域拓扑结构发生显著变化时也无需重新划分网格。