水/气多介质问题的界面处理方法

针对不可压缩可压缩水/气多介质问题, 提出一种新的界面处理方法。在可压缩水/气界面处构造Riemann问题, 在水中设音速趋于无穷大, 求解Riemann问题得到不可压缩可压缩水/气界面处流体的准确流动状态; 然后以此状态结合GFM(ghost fluid method)方法分别为2种流体定义界面边界条件, 将两相流问题转化为单相流问题计算, 通过求解level set方程来跟踪界面的位置。对各种不同的界面边界条件定义方法进行了比较, 数值模拟结果表明算法能准确地捕捉各类间断的位置, 证明了算法的有效性和稳健性。     

激波作用下三维涡的形成及其界面捕捉计算

针对三维多介质可压缩流体,给出了可压缩多介质流体三维高精度数值计算方法,以及界面捕捉方程和带重新初始化的三维LevelSet方法,对初始压力间断和密度间断条件形成激波、接触间断以及稀疏波的三维复杂流场相互作用情况进行数值计算,给出流场中涡的形成过程和界面位置。并对计算方法进行理论验证。     

可压缩多介质流动的间断有限元方法

采用间断有限元方法、LS方法和通量装配技术相结合,建立了一种计算可压缩多介质流动的有效 方法。计算中以光滑Heavside函数构造流体比热比和重新初始化方程中的符号距离函数,并采用通量装配 技术抑制界面附近的非物理振荡。为解决可压缩多介质流动提供一种新的手段。     

一种追踪多介质流体界面运动的NND数值模拟方法

把界面捕捉等效方程、Level-Set方程和欧拉方程组耦合,在Stiffened状态方程下,采用高分辨率NND格式求解流体力学方程组并用Level-Set函数捕捉界面的位置。对二维情况下激波和气泡相互作用的问题进行数值模拟,并与波传算法的模拟结果进行比较。计算结果表明该方法能有效的抑制间断附近的非物理振荡,有很强的捕捉界面的能力。     

多流体界面不稳定性的守恒和非守恒高精度数值模拟方法

对多流体界面问题守恒和非守恒格式(M)WENO重构方法进行探讨,采用虚拟流动方法并用Level-Set函数捕捉界面的运动变化。数值模拟结果表明本文的数值方法具有较高的分辨率,并能有效地抑制界面附近的非物理振荡。     

Level Set方法在地面效应数值模拟中的应用

利用Level Set方法隐式捕捉界面并能处理复杂的物质界面及其拓扑结构变化（如合并、交叉、破碎等）情况的优势,基于可压缩N-S方程的预处理技术,采用基于界面两侧介质黎曼关系的修正虚拟流体方法对介质边界进行处理;将只能应用于可压缩流动界面模拟的修正虚拟流体方法推广应用于不可压缩流动问题的模拟,数值模拟了气-水运动界面与近水面飞行器的相互影响规律。通过与将水面视为对称面的简化模型对比发现：利用自由运动界面模型计算的NACA6409翼型升力较小,能更准确地反映飞行器流场对水面形状的影响,其结果更为符合实际;文中还对比了翼型距水面不同高度时的结果,得到了翼型受水面影响的强弱与翼型距水面的高度成反比的结论。     

多介质可压缩流体动力学界面捕捉方法

研究多介质流界面捕捉方法的主要目的是消除多介质流体在界面处压力、速度可能出现的非物理振荡现象 ,并通过流体动力学方程和界面捕捉方程的耦合 ,将多介质流体动力学计算形式上转化为单介质流体计算 ,从而可以采用对计算单介质有效的高精度计算方法来处理多介质流动问题。推广了Shyue界面捕捉和其等效方程的推导方法 ,给出的结果可以适用于具有状态方程 p =( ,e,a1 , ,an) +( ,e,b1 , ,bn)e的介质 ,并通过了数值试验验证。     

多介质流体非守恒律欧拉方程组的数值计算方法

对多介质流体在界面处满足的Euler方程进行了探讨 ,方程组中增加了描述材料参数间断性质的对流形式非守恒律方程组。以波传播算法为基础 ,通过Roe方程近似求解Riemann问题 ,同时采用相同的数值差分格式求解流体动力学Euler方程组和界面方程组。该方法可以有效消除多介质流体在界面处压力、速度可能出现的非物理振荡。给出了部分典型一维和二维数值计算结果。     

多介质流体非守恒律欧拉方程组的数值计算方法

对多介质流体在界面处满足的Euler方程进行了探讨,方程组中增加了描述材料参数间断性质的对流形式非守恒律方程组 .以波传播算法为基础,通过Roe方程近似求解Riemann问题,同时采用相同的数值差分格式求解流体动力学Euler方程组和界面方程组.该方法可以有效消除多介质流体在界面处压力、速度可能出现的非物理振荡.给出了部分典型一维和二维数值计算结果.     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

群速度控制格式及二维Riemann解

强激波和强接触间断的数值模拟一直是计算流体力学里一个富有挑战性的课题,它们是很多实际流动的基础。三阶迎风紧致格式是一种具有较高分辨率的高精度方法,但是在计算激波时仍有数值振荡产生。本文根据数值解的群速度特性,在三阶迎风紧致格式的基础上提出了一种群速度控制格式,使得能够正确模拟含有强激波和强接触间断的复杂流动。在此基础上构造了求解包含大压力比和密度比的二维界面问题的数值方法。计算结果表明,方法对激波和接触间断的分辨效果是令人满意的。     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

欧拉坐标系下具有锐利相界面的可压缩多介质流动数值方法研究

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.      

水下爆炸过程的高精度数值计算

采用三阶精度的Parabolic Piecewise Method(PPM)方法和Volume Of Fluid(VOF)方法相结合，运用Lagrange-Remapping算法，数值计算爆轰产物、水、空气多种介质之间的相互作用过程，该方法可以用来处理界面两边高密度比可压缩流动以及强剪切滑移运动等问题。     

NUMERICAL SCHEME OF MULTI-MATERIAL COMPRESSIBLE FLOW WITH SHARP INTERFACE ON EULERIAN GRIDS

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.     

二维空间中基于黎曼解的SPH方法

应用传统的光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟激波问题能自主捕获波阵面,但是在接触间断界面处却不可避免地存在压力振荡。采用黎曼解修正粒子对之间的相互作用,并将基于黎曼解的SPH方法扩展到二维空间。通过对一维具有解析解的激波管问题和二维拟内爆问题的模拟,比较了基于黎曼解的SPH方法和传统的SPH方法。数值结果表明,相对于传统的SPH方法,基于黎曼解的SPH方法能够有效避免接触界面处的压力振荡,提高求解的精度。     

时刻追踪多介质界面运动的动网格方法

在对可压缩多介质流动的数值模拟中,定义介质界面为一种内部边界,由网格的边组成,界面边两侧对应两种不同介质中的网格。通过求解Riemann问题追踪介质界面上网格节点的运动,同时采用局部重构的动网格技术处理介质界面的大变形问题,并将介质界面定义为网格变形边界,以防止该边界上网格体积为负。运用HLLC格式求解ALE方程组得到整个多介质流场的数值解。最后从几个多介质流模型的计算结果可以看出,本文的动网格方法是可行的,而且可以时刻追踪介质界面的运动状态。     

一种简单的精确捕捉接触间断的黎曼求解器

基于Godunov型数值格式的有限体积法是求解双曲型守恒律系统的主流方法,其中用来计算界面数值通量的黎曼求解器在很大程度上决定了数值格式在计算中的表现。单波的Rusanov求解器和双波的HLL求解器具有简单、高效和鲁棒性好等优点,但是在捕捉接触间断时耗散太大。全波的HLLC格式能够精确捕捉接触间断,但是在计算中出现的激波不稳定现象限制了其在高马赫数流动问题中的应用。本文利用双曲正切函数和五阶WENO格式来重构界面两侧的密度值,并且结合边界变差下降算法来减小Rusanov格式耗散项中的密度差,从而提高格式对于接触间断的分辨率。研究表明,相比于全波的HLLC求解器,本文构造的黎曼求解器不仅具有更高的接触分辨率,而且还具有更好的激波稳定性。     

可压缩流体流动多尺度混合有限元数值方法研究

可压缩流体是天然油藏中广泛存在的一种流体,研究其在多孔介质中的渗流规律对于油藏开发具有重要意义。本文采用多尺度混合有限元方法,对可压缩流体渗流问题进行了研究。考虑流体的可压缩性以及介质形变,推导得到了可压缩流体渗流问题的多尺度计算格式。数值计算结果表明,多尺度混合有限元适于求解非均质性和可压缩流问题,具有节省计算量、计算精度高等优势,对于实际大规模油藏模拟具有重要意义。     

可压缩多介质粘性流体和湍流的大涡模拟

在可压缩多介质粘性流体动力学高精度计算方法MVPPM(multi-viscous-fluid piecewise parabolicmethod)基础上,引入Smagorinsky和Vreman亚格子湍流模型,采用大涡数值模拟方法求解可压缩粘性流体NS(Navier-Stokes)方程,给出适用于可压缩多介质流体界面不稳定性发展演化至湍流阶段的计算方法和二维计算程序MVFT(multi-viscosity-fluid and turbulence)。在2种亚格子湍流模型下计算了LANL(Los Ala-mos National Laboratory)激波管单气柱RM不稳定性实验,分析了气柱的形状、流场速度以及涡的特征,通过与LANL实验和计算结果的比较可知,Vreman模型略优于Smagorinsky模型,MVFT方法和计算程序可用于对界面不稳定性发展演化至湍流阶段的数值模拟。