求解无粘可压Euler方程组的虚拟流方法

首先将三阶Godunov型半离散中心迎风格式推广到四阶,之后再将该新的四阶半离散中心迎风格式与Level Set方法以及虚拟流方法结合起来,成功地处理了非反应激波问题和多介质流中的爆轰间断问题。由于Level Set函数能隐式地追踪到界面的位置,而虚拟流的构造能隐式地捕捉到界面的边界条件,故而本文的方法可以很自然地推广到多维情况。     

基于四阶半离散中心迎风格式的虚拟流方法的应用

给出了求解多维无粘可压Euler方程组的四阶半离散中心迎风格式,该格式根据非线性波在网格单元边界上传播的局部速度来更准确地估计局部Riemann的宽度,避免了计算网格的交错,降低了格式的数值粘性。同时,考虑到Level Set函数能隐式地追踪到界面的位置,而虚拟流的构造能隐式地捕捉到界面的边界条件,因此再将新的四阶半离散中心迎风格式与Level Set方法以及虚拟流方法相结合,成功地处理了非反应激波和多介质流中爆轰间断的追踪问题。     

用Level Set方法追踪运动界面

首先介绍了近年来发展起来的界面追踪技术Level Set方法,然后采用五阶WENO格式和积分平均型TVD格式计算Level Set方程,用修正的Godunov方法求解重新初始化的Level Set方程,数值求解了同心圆在常数流场,圆和矩形界面在剪切流场,缺口圆在旋转流场中的界面变形和还原效果,比较了时间导数离散精度和Level Set函数有无重新初始化对界面追踪效果的影响．最后,通过和其它界面处理方法的比较可以看出,Level Set方法不仅能够比较准确地追踪运动界面,而且无须进行复杂繁琐的界面重构技术,容易编程,具有较大的通用性．     

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。     

MGFM在强激波与物质界面作用中的应用

原始的虚拟流方法(GFM)在计算强激波和物质界面作用时无法得到正确的计算结果,而改进虚拟流方法(MGFM)处理这类问题的能力大大提高.本文用Level set捕获物质界面,用MGFM方法定义虚拟流节点参数,Euler方程采用HLLC格式离散求解,完成了强激波和物质界面作用的一维和二维数值实验.结果表明改进虚拟流方法在强激波与物质界面作用中的应用是成功的.     

Level Set追踪等温非牛顿熔全前沿界面

应用Level Set方法追踪薄壁型腔内Hele-Shaw熔体流动前沿界面,采用5阶加权本质无振荡格式耦合中心差分格式实现了充填阶段的动态模拟.准确追踪到了不同时刻熔体前沿界面,并得到了对应的压力等值线分布,数值结果表明Level Set方法是准确追踪注塑成型熔体前沿界面的一种行之有效的方法.     

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。     

基于Level Set的多维双曲守恒律标量方程的激波追踪方法

结合四阶CWENO(Cemral Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式、四阶NCE(Natural Continuous Extensions)Runge-Kutta法和Level Set方法，很好地处理了一维双曲守恒律标量方程的激波追踪问题。针对二维双曲守恒律标量方程，成功地用五阶WENO格式、非TVD格式的四阶Runge-Kutta方法和Level Set方法进行激波追踪。将所得的数值解与标准的高阶激波捕捉方法所得的数值解进行比较，说明基于Level Set的激波追踪方法的有效性与逐点收敛性。     

三维非牛顿熔体前沿界面的Level Set/Ghost/SIMPLEC模拟

建立了三维粘性不可压非牛顿流体流动的控制方程,采用Level Set/Ghost/SIMPLEC方法模拟了注塑成型充模阶段的三维流动过程;追踪到了不同时刻的熔体前沿界面,预测并分析了流动过程中不同时刻的压力、速度等重要的流动特征参数,并与牛顿流体相应的流动特征参数做了对比.研究结果表明:Lovol Set/Ghost/SIMPLEC方法可以准确追踪非牛顿熔体前沿界面:幂律熔体在流动过程中的压差明显大于牛顿熔体的压差,沿横截面的速度分布也有明显的差别.     

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。     

Interaction of a solitary wave and a front step simulated by level set method

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＬｅｖｅｌＳｅｔｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｔｗｏ＿ｐｈａｓｅｆｌｏｗｂｙＯｓｈｅｒｅｔａｌ.[1,2 ].Ｉｎｔｈｉｓｗｏｒｋ ,ｔｈｅｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅＮ＿Ｓｅｑｕａｔｉｏｎｓａｒｅｓｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｄｏｍａｉｎ ,ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｓｔｒａｃｋｅｄｔｈｒｏｕｇｈａＬｅｖｅｌＳｅｔｆｕｎｃｔｉｏｎ .ＴｈｅＬｅｖｅｌＳｅｔｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｄｅｆｉｎｅｄａｓａｄｉｓｔａｎｃｅｆｕｎ…     

用Level Set方法求解具有自由面的流动问题

为采用Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｔ方法来计算有自由的流动问题提出了一种方案,把自由水面视为水和空气的交界面,两种介质用统一的Ｎ－Ｓ方法求解,在自由面两侧分别采用各自的密度和粘性,并在自由面上给以适当的光滑;采用边界元法求解双调和方程来确定距离函数;Ｎ－Ｓ方程用投影法求解,文中给出了二维水池水面振荡和瞬时溃坝问题的算例,可以看出用ＬｅｖｅｌＳｅｔ方法求解有自由面流动问题是有效的。     

2000-02《小问题》上期解答

从笔者所患腱鞘囊肿的治愈经历,谈材料的触变性．     

A mass‐conserving Level‐Set method for modelling of multi‐phase flows

A mass‐conserving Level‐Set method to model bubbly flows is presented. The method can handle high density‐ratio flows with complex interface topologies, such as flows with simultaneous occurrence of bubbles and droplets. Aspects taken into account are: a sharp front (density changes abruptly), arbitrarily shaped interfaces, surface tension, buoyancy and coalescence of droplets/bubbles. Attention is paid to mass‐conservation and integrity of the interface. The proposed computational method is a Level‐Set method, where a Volume‐of‐Fluid function is used to conserve mass when the interface is advected. The aim of the method is to combine the advantages of the Level‐Set and Volume‐of‐Fluid methods without the disadvantages. The flow is computed with a pressure correction method with the Marker‐and‐Cell scheme. Interface conditions are satisfied by means of the continuous surface force methodology and the jump in the density field is maintained similar to the ghost fluid method for incompressible flows. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

扩展有限元法(XFEM)及其应用

扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一种求解不连续力学问题的数值方法, 它继承了常规有限元法(CFEM)的所有优点, 在模拟界面、裂纹生长、复杂流体等不连续问题时特别有效, 短短几年间得到了快速发展与应用. XFEM与CFEM的最根本区别在于, 它所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关, 从而克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难, 模拟裂纹生长时也无需对网格进行重新剖分.重点介绍XFEM的基本原理、实施步骤及应用实例等, 并进行必要的评述. 单位分解概念保证了XFEM的收敛, 基于此, XFEM通过改进单元的形状函数使之包含问题不连续性的基本成分, 从而放松对网格密度的过分要求. 水平集法是XFEM中常用的确定内部界面位置和跟踪其生长的数值技术, 任何内部界面可用它的零水平集函数表示. 第2和第3节分别简要介绍单位分解法和水平集法;第4节和第5节介绍XFEM的基本思想、详细实施步骤和若干应用实例, 同时修正了以往文献中的一些不妥之处; 最后, 初步展望了该领域尚需进一步研究的课题.      

带有障碍物溃坝流动问题的有限元数值模拟研究

针对下游带有障碍物的溃坝流动问题,本文基于两相流动模型,在有限元算法框架下对其进行数值模拟研究。依据水平集(Level Set)方法追踪运动界面,并引入了一个简单的修正技术,保证较好的质量守恒性。为了精确表示运动界面,采用稳定和有效的间断有限元方法求解双曲型Level Set及其重新初始化方程。对于两相统一Navier-Stokes方程,首先利用分裂格式对其解耦,然后通过SUPG (Streamline Upwind Petrov Galerkin)方法进行数值求解。模拟研究了下游带有障碍物的牛顿流体溃坝流动问题,得到的数值结果与文献已有模拟结果及实验结果均吻合较好。此外,还考虑了幂律型非牛顿流体,并分析了不同特性非牛顿流体对于溃坝流动过程和界面形态等的影响。     

Simulation of the two-fluid model on incompressible flow with Fractional Step method for both resolved and unresolved scale interfaces

In the present paper, the Fractional Step method usually used in single fluid flow is here extended and applied for the two-fluid model resolution using the finite volume discretization. The use of a projection method resolution instead of the usual pressure-correction method for multi-fluid flow, successfully avoids iteration processes. On the other hand, the main weakness of the two fluid model used for simulations of free surface flows, which is the numerical diffusion of the interface, is also solved by means of the conservative Level Set method (interface sharpening) (Strubelj et al., 2009). Moreover, the use of the algorithm proposed has allowed presenting different free-surface cases with or without Level Set implementation even under coarse meshes under a wide range of density ratios. Thus, the numerical results presented, numerically verified, experimentally validated and converged under high density ratios, shows the capability and reliability of this resolution method for both mixed and unmixed flows.