不同重力条件下不相溶流体层间界面波演化规律的数值模拟研究

报道了关于不相溶流体层间界面波演化规律的数值模拟研究及结果，重点考察了重力条件对界面波演化特性的影响。考虑在深度方向无限扩展的互不相容的两个流体层，上层流体比下层的轻，但比下层的运动速度快；两层流体间的界面上存在正弦波形的初始扰动，并随流体流动而不断变化。本文采用Level Set方法来实现对运动的相界面的追踪，用有限差分法来离散控制方程组。为了提高数值算法的稳定性，采用三阶的Runge-Kutta法来离散时间导数，而采用五阶的WENO（Weighted Essentially Non-oscillatory）格式来离散一阶对流输运项，并用压力修正投影法（Pressure Correction Projection Method）来实现离散控制方程组的求解。为了提高对复杂非稳态过程的解的准确度，采用了嵌套的三层迭代循环。本文对一系列工况条件下的界面波演化过程进行了计算；除了研究重力的作用之外，还考察了流体密度、粘性、表面张力、初始界面波频率、振幅及波数对界面波演化特性的影响。其中，上下流体层的最大密度比和粘性比可达3000/1，而重力加速度在0~5g0（g0=9.8m/s^2）之间变化，上下流体层间的最大速度差为8m/s。研究结果表明，随着重力、流体密度比、流体粘性比及表面张力的增加，界面波的演化受到不同程度的抑制，而界面波的传播速度也与重力及流体的密度、粘性和表面张力等因素相关。