第三届工程计算流体力学会议文集

移动边界问题数值方法及其在气液两相流中的应用

李彦鹏１，关卫省１，白博峰２

（１．长安大学环境科学与工程学院，西安７１００Ｍ；２．西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安７１００４９）

摘要：自然界与工程实际中存在大量的移动边界问题。模拟和追踪移动边界的轨迹和发展，

成为解决这类问题的关键。本文在简要介绍移动边界问题的概念的基础上，首先对其两大类模拟方

法，ｂ舯ｎ西蛆方法和Ｅｕｌｅｒｉａｎ方法进行了比较：然后对在流体动力学中遇到的移动边界问题的常

见数值模拟方法逐一进行了介绍，并对各自的优缺点进行了分析与评述；着重阐述目前处理这类问

题的主流方法—１１ｅｖｅｌｓｅｔ方法；最后应用ｌｅｖｅｌｓｅｔ方法耦合气液两相体系的单一场流动方程，

采用有限容积方法及显式时间步进的中心网格ＩＣＥ（ＩｍｐｌｉｃｉｔＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ 丑ｕｉｄＥｕｌｅｒｉａｎ）数值格式，

三维模拟了在化工、能源及环境领域中几个典型的气液两相流动问题，包括气．水鼓泡床中气泡从

一个喷嘴形成和上升的过程，两个大小不同的空气气泡在水中自由上升时的相互作用过程，水滴与

颗粒正向等温碰撞过程以及水滴下落冲击水面的过程，动态地显示了气泡或液漓在上述各种过程中

的行为。模拟结果与文献中的实验观测定性吻合．结果表明ｌｅｖｅｌｓｅｔ方法是一种行之有效且大有

前途的处理气液移动边界问题的方法。

关键词：移动边界问题；ｌｅｖｅｌｓｅｔ方法；数值模拟：气泡；液滴

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅＭｏｖｉｎｇＢｏｕｎｄａｒｙＰｒｏｂｌｅｍａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅＧａｓ－－ｌｉｑｕｉｄ

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２

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（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｍｅ＝ｉｎａＣｈａｎｇ’如Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’∞７１００６４；２．ＳｉａｍＫｅｙＬａｂｏｆＭｕｌｆｉｐｈａｓｅＨｏｗｉｎＰ眦

Ｅａｇｉｎｅ既ｉｎｇ．Ｘｉ’蛆ＪｉａｏｍａｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’姐７１００４９）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｍｏｖｉｎｇｂｏｕｎｄａｒｙｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｎａｔｕｌ℃ａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｍＴｒａｃｋｉｎｇｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｐｌａｙｓａｋｅｙｒｏｌｅｔｏｔｒｅａｔｓｕｃｈｐｒｏｂｌｅｍｓ。Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＬａｇｒａｎｇｉａｎａｐｐｒｏａｃｈａｎｄＥｕｌｅｒｉａｎａｐｐｒｏａｃｈｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｆｉｒｓｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｍｏｖｉｎｇｂｏｕｎｄａｒｙｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，也ｅｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｐｅｒｔａｉｎｉｎｇｔｏｍｏｖｉｎｇｂｏｕｎｄａｒｙｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｗｅ托ｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓｗｅＩ＇ｅｏｕｔｌｉｎｅｄ．Ｔｈｅｅｍｐｈａｓｉｓｈｅｒｅｗａｓｏｎｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｌｅｖｅｌｓｅｔｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｌｅｖｅｌｓｅｔｍｅｔｈｏｄｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｎｅｆｉｅｌｄｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｓ啊陋ｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｓｅｖｅｒａｌｔｙｐｉｃａｌｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｓ，ｓｕｃｈａｓｂｕｂｂｌｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｉ＇ｏｍａｎｏｒｉｆｉｃｅｉｎａｉｒ－ｗａｔｅｒｂｕｂｂｌｅｃｏｌｕｍｎ，ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆａｉｒｂｕｂｂｌｅｐａｉｒｓｆｒｅｅｌｙｒｉｓｉｎｇｉｎｗａｔｅｒ，ａｌｌｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｎｏｒｍａｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎｂｅ［ｗｅｅｌｌｄｒｏｐｌｅｔａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅａｎｄｄｒｏｐｌｅｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈ李彦鹏（１９７３一），男，博士，副教授。教育部科学技术研究重点项目（０１１６９）：国家自然科学基金资助项目（５０４７６０４９）。７０４