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.     

在动网格上的多介质界面数值处理方法研究

运用动网格上的ALE方法对一维可压缩多介质Riemann问题进行求解,在处理介质界面 上的数值通量时提出了3种不同的数值方法：Lagrange方法、GFM和HLLC方法,并且对 这3种方法的数值结果进行了比较,认为GFM方法和HLLC方法在介质界面上出现大压力 梯度时能够明显消除界面上密度的非物理震荡,提高介质界面上数值解的精度.     

空气自由场中强爆炸冲击波传播二维数值模拟

编写了适用于模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维柱对称多介质流体计算程序。利用有限体积方法求解流体的Euler方程组,采用level set方法捕捉爆炸产物与空气的运动界面,并通过求解物质界面两侧Riemann问题的精确解来计算爆炸产物与空气之间的数值通量。研制了三角形网格自适应技术来实现网格的自动加密和粗化,在保证捕捉激波峰值的前提下有效地提高了计算效率。利用计算程序对1 kt TNT当量的空气自由场强爆炸问题进行数值模拟,计算得到的峰值超压、冲击波到达时间等物理参数与点爆炸理论结果基本一致。     

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。     

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。     

Mie-Grneisen状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型，将piecewise parabolic method (PPM)方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟，拓展了以前提出的模型和数值方法，使它能够处理一般的Mie-Grneisen状态方程。采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题；并根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式，对典型的纯界面平移问题可以从理论上证明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡，而且数值模拟结果表明界面数值耗散也被控制在2~3个网格之内。模拟了多种复杂的可压缩多流体流动，算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题，且具有耗散小精度高的特点。     

爆炸冲击波绕流的三维数值模拟研究

对爆炸冲击波绕流问题采用可压缩流体模型建立了质量、动量和能量的偏微分守恒方程组,基于多物质流体Euler型算法, 采用算子分裂格式, 运用体积份额法处理多介质界面, 用自行开发的三维数值模拟程序MMIC3D模拟计算了三维空中爆炸的爆源附近和爆炸场中冲击波流场的发展规律, 研究了挡墙拐角处绕流的形成和变化情况, 分析比较了挡墙的位置、形状对挡墙后爆炸冲击波的影响, 并与经验公式进行了比较研究. 数值计算基本符合物理规律,说明文中采用的模型和算法是合理的, 为工程设计减压设施提供了数值计算依据．      

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.     

非结构动网格在多介质流体数值模拟中的应用

采用非结构动网格方法对含多介质的流场进行数值模拟.采用改进的弹簧方法来处理由于边界运动而产生的网格变形.采用基于格心的有限体积方法求解守恒型的ALE(Arbitrary Lagrangiall-Eulerian)方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartem,Lax,van Leer,Contact)方法,采用几何构造的方法使空间达到二阶精度,时间离散采用四阶Runge-Kutta方法.物质界面的处理采用虚拟流体方法.本文对含动边界的激波管、水下爆炸等流场进行数值模拟,取得较好的结果,不同时刻界面的位置和整个扩张过程被准确模拟.     

求解可压缩流的二维通量分裂格式

传统的一维通量分裂格式在计算界面数值通量时,只考虑网格界面法向的波系。采用传统的TV格式分别求解对流通量和压力通量。通过求解考虑了横向波系影响的角点数值通量来构造一种真正二维的TV通量分裂格式。在计算一维数值算例时,该格式与传统的TV格式具有相同的数值通量计算公式,因此其保留了传统的TV格式精确捕捉接触间断和膨胀激波的优点。在计算二维算例时,该格式比传统的TV格式具有更高的分辨率;在计算二维强激波问题时,消除了传统TV格式的非物理现象,表现出更好的鲁棒性;此外,该格式大大提高了稳定性CFL数,从而具有更高的计算效率。因此,本文方法是一种精确、高效并且具有强鲁棒性的数值方法,在可压缩流的数值模拟中具有广阔的应用前景。     

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.      

A robust algorithm for moving interface of multi-material fluids based on Riemann solutions

In the paper, the numerical simulation of interface problems for multiple material fluids is studied. The level set function is designed to capture the location of the material interface. For multi-dimensional and multi-material fluids, the modified ghost fluid method needs a Riemann solution to renew the variable states near the interface. Here we present a new convenient and effective algorithm for solving the Riemann problem in the normal direction. The extrapolated variables are populated by Taylor series expansions in the direction. The anti-diffusive high order WENO difference scheme with the limiter is adopted for the numerical simulation. Finally we implement a series of numerical experiments of multi-material flows. The obtained results are satisfying, compared to those by other methods.The English text was polished by Boyi Wang.     

High-resolution algorithms of sharp interface treatment for compressible two-phase flows

In this paper, a kind of arbitrary high order derivatives (ADER) scheme based on the generalised Riemann problem is proposed to simulate multi-material flows by a coupling ghost fluid method. The states at cell interfaces are reconstructed by interpolating polynomials which are piece-wise smooth functions. The states are treated as the equivalent of the left and right states of the Riemann problem. The contact solvers are extrapolated in the vicinity of contact points to facilitate ghost fluids. The numerical method is applied to compressible flows with sharp discontinuities, such as the collision of two fluids of different physical states and gas–liquid two-phase flows. The numerical results demonstrate that unexpected physical oscillations through the contact discontinuities can be prevented effectively and the sharp interface can be captured efficiently.     

A discontinuous Galerkin‐based sharp‐interface method to simulate three‐dimensional compressible two‐phase flow

A numerical method for the simulation of compressible two‐phase flows is presented in this paper. The sharp‐interface approach consists of several components: a discontinuous Galerkin solver for compressible fluid flow, a level‐set tracking algorithm to follow the movement of the interface and a coupling of both by a ghost‐fluid approach with use of a local Riemann solver at the interface. There are several novel techniques used: the discontinuous Galerkin scheme allows locally a subcell resolution to enhance the interface resolution and an interior finite volume Total Variation Diminishing (TVD) approximation at the interface. The level‐set equation is solved by the same discontinuous Galerkin scheme. To obtain a very good approximation of the interface curvature, the accuracy of the level‐set field is improved and smoothed by an additional P_NP_M‐reconstruction. The capabilities of the method for the simulation of compressible two‐phase flow are demonstrated for a droplet at equilibrium, an oscillating ellipsoidal droplet, and a shock‐droplet interaction problem at Mach 3. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。