一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉--拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将"米"状相邻单元Youngs方法用于运动界面重构,将Youngs-VOF和水平集通过几何方法耦合,提高运动界面精度,克服了VOF和水平集方法存在的缺陷,避免了利用高阶导数本身的稳定性去求解水平集对流方程和距离函数方程."米"状相邻单元Youngs方法避免了数值耗散、数值色散性以及非线性效应引起的捕捉界面模糊的情况.Youngs-VOF耦合水平集方法既保证了计算界面时的稳定性,与拉格朗日方法相比又提高了计算效率.利用Youngs-VOF耦合水平集方法与VOF方法对单个气泡在水中上升过程数值计算与实验对比并对经典剪切流场中圆形运动界面模型的数值计算,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的有效性并比VOF方法捕捉界面更清晰、锐利;通过对溃坝--自由表面流动过程数值计算并与实验进行对比,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的稳定性以及对三维数值模型的适用性.      

Level set方法在自适应Cartesian网格上的应用

采用基于自适应Cartesian网格的level set方法对多介质流动问题进行数值模拟。采用基于四叉树的方法来生成自适应Cartesian网格。采用有限体积法求解Euler方程,控制面通量的计算采用HLLC（Hartern, Lax, van Leer, Contact）近似黎曼解方法。level set方程也采用有限体积法求解,采用Lax-Friedchs方法计算通量,通过窄带方法来减少计算量,界面的处理采用ghost fluid方法。Runge-Kutta显式时间推进,时间、空间都是二阶精度。对两种不同比热比介质激波管问题进行数值模拟,其结果和精确解吻合;对空气/氦气泡相互作用等问题进行模拟,取得令人满意的结果。     

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.      

基于有限变形理论的数值流形方法研究

原有数值流形方法通过积累每一时步的小变形而得到结构最终的大变形,然而,当结构发生大变形、大转动时往往产生较大计算误差. 针对该问题,从动量守恒方程以及应力边界条件的积分弱形式出发,引入流形方法的插值函数,建立了基于有限变形理论的数值流形方法. 通过对比改进前后流形方法的计算迭代格式,指出了原有流形方法计算大变形问题时的误差来源. 最后,通过大变形悬臂梁和旋转块体算例对有限变形流形方法进行了验证. 数值结果表明,改进后的流形方法能够很好地处理大变形大转动问题,消除了转动所带来的计算误差,其计算结果与解析解及ABAQUS 软件求得的数值解相吻合.      

二维拉氏辐射流体力学人为解构造方法

人为构造解方法是复杂多物理过程耦合程序正确性验证的重要方法之一，适用于二维拉氏大变形网格的流体、辐射耦合人为解模型较为少见。针对拉氏辐射流体力学程序正确性验证的需要，从二维拉氏辐射流体力学方程组出发，基于坐标变换技术，给出了拉氏空间到欧氏空间的物理变量导数关系式，开展了辐射流体耦合的人为解构造方法研究，构造了一类质量方程无源项的二维人为解模型，并应用于非结构拉氏程序LAD2D辐射流体力学计算的正确性考核，为流体运动网格上的辐射扩散计算提供了一种有效手段。数值结果显示观测到的数值模拟收敛阶与理论分析一致。     

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.     

一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉–拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将"米"状相邻单元Youngs方法用于运动界面重构,将Youngs-VOF和水平集通过几何方法耦合,提高运动界面精度,克服了VOF和水平集方法存在的缺陷,避免了利用高阶导数本身的稳定性去求解水平集对流方程和距离函数方程."米"状相邻单元Youngs方法避免了数值耗散、数值色散性以及非线性效应引起的捕捉界面模糊的情况. Youngs-VOF耦合水平集方法既保证了计算界面时的稳定性,与拉格朗日方法相比又提高了计算效率.利用Youngs-VOF耦合水平集方法与VOF方法对单个气泡在水中上升过程数值计算与实验对比并对经典剪切流场中圆形运动界面模型的数值计算,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的有效性并比VOF方法捕捉界面更清晰、锐利;通过对溃坝–自由表面流动过程数值计算并与实验进行对比,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的稳定性以及对三维数值模型的适用性.     

入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

激光冲击强化过程中蒸气等离子体压力计算的耦合模型

首先基于系统能量守恒条件,提出了一种计算蒸气等离子体压力的一维耦合计算模型。模型中不 仅考虑了蒸气等离子体界面压力与质点速度的非线性效应,同时也考虑了界面烧蚀所致的运动速度,将蒸气 等离子体的膨胀与约束介质的变形耦合。在耦合模型的基础上,采用显式差分计算程序与显式有限元计算程 序LS-DYNA互相迭代求解的方法,对不同激光功率密度分布下的蒸气等离子体压力进行了计算。结果表 明,计算结果与实验测量结果具有很好的一致性,证明了计算模型的合理性。     

板材多点成形过程的有限元分析

多点成形过程采用静力隐式格式进行数值模拟是比较合适的。本文建立了用于多点成形过程分析的静力隐式弹塑性大变形有限元方法 ,给出了对稳定迭代收敛过程效果较好的板壳有限单元模型、处理多点不连续接触边界的接触单元方法以及增量变形过程中应力及塑性应变计算的多步回映计算方法。基于这些方法编制了计算软件 ,应用该软件进行了矩形板的液压胀形过程及球形模具拉伸成形过程的有限元分析 ,数值计算结果与典型的实验结果及计算结果吻合很好。最后给出了球形、圆柱形目标形状的实际多点成形过程的数值模拟结果。     

饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合方法

建立了饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合计算方法.将饱和多孔介质视为由固体骨架和孔隙水组成的两相体,其基本方程包括动力平衡方程和渗流连续方程.基于u-p假定和更新的Lagrange方法,饱和多孔介质的动力平衡方程在空间域内采用有限元方法进行离散,而渗流连续方程在空阃域内则采用有限体积法进行离散.通过两个数值算例,一维有限弹性固结和动力荷载作用下堤坝动力响应的计算,验证了该方法的有效性.     

A parallel monolithic algorithm for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems

A novel parallel monolithic algorithm has been developed for the numerical simulation of large‐scale fluid structure interaction problems. The governing incompressible Navier–Stokes equations for the fluid domain are discretized using the arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation‐based side‐centered unstructured finite volume method. The deformation of the solid domain is governed by the constitutive laws for the nonlinear Saint Venant–Kirchhoff material, and the classical Galerkin finite element method is used to discretize the governing equations in a Lagrangian frame. A special attention is given to construct an algorithm with exact total fluid volume conservation while obeying both the global and the local discrete geometric conservation law. The resulting large‐scale algebraic nonlinear equations are multiplied with an upper triangular right preconditioner that results in a scaled discrete Laplacian instead of a zero block in the original system. Then, a one‐level restricted additive Schwarz preconditioner with a block‐incomplete factorization within each partitioned sub‐domains is utilized for the modified system. The accuracy and performance of the proposed algorithm are verified for the several benchmark problems including a pressure pulse in a flexible circular tube, a flag interacting with an incompressible viscous flow, and so on. John Wiley & Sons, Ltd.     

基于分区径向基函数配点法的大变形分析

无网格法因为不需要划分网格, 可以避免网格畸变问题,使得其广泛应用于大变形和一些复杂问题. 径向基函数配点法是一种典型的强形式无网格法,这种方法具有完全不需要任何网格、求解过程简单、精度高、收敛性好以及易于扩展到高维空间等优点,但是由于其采用全域的形函数, 在求解高梯度问题时 存在精度较低和无法很好地反应局部特性的缺点. 针对这个问题,本文引入分区径向基函数配点法来求解局部存在高梯度的大变形问题. 基于完全拉格朗日格式,采用牛顿迭代法建立了分区径向基函数配点法在大变形分析中的增量求解模式.这种方法将求解域根据其几何特点划分成若干个子域, 在子域内构建径向基函数插值, 在界面上施加所有的界面连续条件,构建分块稀疏矩阵统一求解. 该方法仍然保持超收敛性, 且将原来的满阵转化成了稀疏矩阵, 降低了存储空间,提高了计算效率. 相比较于传统的径向基函数配点法和有限元法, 这种方法能够更好地反应局部特性和求解高梯度问题.数值分析表明该方法能够有效求解局部存在高梯度的大变形问题.      

A semi‐Lagrangian level set method for incompressible Navier–Stokes equations with free surface

In this paper, we formulate a level set method in the framework of finite elements‐semi‐Lagrangian methods to compute the solution of the incompressible Navier–Stokes equations with free surface. In our formulation, we use a quasi‐monotone semi‐Lagrangian scheme, which is both unconditionally stable and essentially non oscillatory, to compute the advective terms in the Navier–Stokes equations, the transport equation and the equation of the reinitialization stage for the level set function. The method we propose is quite robust and flexible with regard to the mesh and the geometry of the domain, as well as the magnitude of the Reynolds number. We illustrate the performance of the method in several examples, which range from a benchmark problem to test the volume conservation property of the method to the flow past a NACA0012 foil at high Reynolds number. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

计算域可变的CEL方法

为了更好地兼顾拉氏方法和欧拉方法各自的特长,提出一种可将拉氏介质映射到欧拉计算域的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法。通过这种映射,将欧拉-拉格朗日重叠区域的接触面协调问题转换为欧拉区域内的多介质计算问题,简化了CEL方法的构造过程。通过与侵彻实验和结构对爆炸冲击波响应实验的比较,验证了新算法,计算结果与实验数据符合较好。     

大变形问题分析的局部Petrov-Galerkin法

在微机电系统(MEMS)的建模和模拟研究中,大变形或大移动要充分予以考虑.用有限元法分析这类问题,由于难以避免的网格畸变,使模拟效率精度降低甚至失效,无网格方法(Meshless Method)则能在分析这类问题时显示出明显的优势,无网格局部Petrov-Galerkin(MLPG)法被誉为是一种有发展前景的真正无网格法.本文进一步发展了MLPG法,通过对任意的离散分布节点采用局部径向基函数构造插值形函数和Heaviside权函数,分析方程采用局部加权弱形式离散,建立了变量仅依赖于初始构型的完全Lagrange分析格式,最后用Newton-Raphson法迭代求解.文中分析了悬臂梁典型算例和微机电开关非线性大变形问题,通过与有限元结果的比较,表明本文提出的大变形问题无网格局部Petrov-Galerkin法具有稳定性好及收敛性快等优点.     

Optimization of unsteady incompressible Navier–Stokes flows using variational level set method

This paper presents the optimization of unsteady Navier–Stokes flows using the variational level set method. The solid–liquid interface is expressed by the level set function implicitly, and the fluid velocity is constrained to be zero in the solid domain. An optimization problem, which is constrained by the Navier–Stokes equations and a fluid volume constraint, is analyzed by the Lagrangian multiplier based adjoint approach. The corresponding continuous adjoint equations and the shape sensitivity are derived. The level set function is evolved by solving the Hamilton–Jacobian equation with the upwind finite difference method. The optimization method can be used to design channels for flows with or without body forces. The numerical examples demonstrate the feasibility and robustness of this optimization method for unsteady Navier–Stokes flows.Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Topological shape optimization of power flow problems at high frequencies using level set approach

Using a level set method we develop a topological shape optimization method applied to power flow problems in steady state. Necessary design gradients are computed using an efficient adjoint sensitivity analysis method. The boundaries are implicitly represented by the level set function obtainable from the “Hamilton–Jacobi type” equation with the “Up-wind scheme.” The implicit function is embedded into a fixed initial domain to obtain the finite element response and sensitivity. The developed method defines a Lagrangian function for the constrained optimization. It minimizes a generalized compliance, satisfying the constraint of allowable volume through the variations of implicit boundary. During the optimization, the boundary velocity to integrate the Hamilton–Jacobi equation is obtained from the optimality condition for the Lagrangian function. Compared with the established topology optimization method, the developed one has no numerical instability such as checkerboard problems and easy representation of topological shape variations.     

Coupling between finite element method and material point method for problems with extreme deformation

As a Lagrangian meshless method, the material point method (MPM) is suitable for dynamic problems with extreme deformation, but its efficiency and accuracy are not as good as that of the finite element method (FEM) for small deformation problems. Therefore, an algorithm for the coupling of FEM and MPM is proposed to take advantages of both methods. Furthermore, a conversion scheme of elements to particles is developed. Hence, the material domain is firstly discretized by finite elements, and then the distorted elements are automatically converted into MPM particles to avoid element entanglement. The interaction between finite elements and MPM particles is implemented based on the background grid in MPM framework. Numerical results are in good agreement with experimental data and the efficiency of this method is higher than that of both FEM and MPM.     

Mesh regularization for an ALE code based on the limitation of the Lagrangian mesh velocity

The Lagrangian approach is usually used for the simulation of flow with strong shock waves. Moreover, this approach is particularly well suited to treatment of material interfaces in the case of multimaterial flows.Unfortunately, this formulation leads to very large deformations in the mesh. The arbitrary Lagrangian‐Eulerian method overcomes this drawback by using a mesh regularization that is based on an analysis of cell geometry. The regularization step may be considered as a method used to correct the nonconvex and potentially tangled cells that constitute the mesh. In this paper, we present a new approach to mesh regularization. Instead of using a purely geometric criterion, we propose that the mesh evolution is computed on the basis of the flow vorticity. This approach is called the large Eddy limitation method, and it is aimed here to be used in finite volume direct arbitrary Lagrangian‐Eulerian methods. The large Eddy limitation method is general, which means that it is not restricted to applications in the finite volume framework dedicated to fluid flow simulation; for instance, it could also be naturally applied to the finite element framework.