流体界面不稳定性数值模拟中不同介质界面的处理方法

在界面不稳定性数值模拟中,以往的方法^〔1,4－8〕局限于密度不同的单种介质或绝热指数相同的两种介质问题,在计算绝热指数不同介质间的扰动时,界面上强制加入接触间断边界条件,从而避免了界面上数的非物理振荡,用三维程序TVD／AC对两种不同介质,在单波扰动下Rayleigh-Taylor不稳定性的发展进行了计算,得到了扰动随时间发展的图像。     

三维流体界面不稳定性的Ghost方法

Euler方法对大多数气体流动处理得很好,但在临近材料界面的区域出现非物理振荡。Lagarange方法对多材料面适用性很好,但它在处理大变形和大多数气体流动的涡结构却在自身的困难。理想的稳定性性强的方法是结合两种方法的长处,利用Level Set方法来确定界面位置,利用Ghost方法为确定临近界面的网格点的状态量,采用单侧界面的熵插值技巧来捕捉适宜的界面边界条件,并与TVD／AC格式进行了数值比较。     

随机扰动下三维流体界面不稳定性的并行计算

对三维流体界面不稳定性的数值模拟引进了新的数值计算方法,并在MPI并行计算环境下进行了数值模拟.利用LevelSet方法确定界面位置,零水平集对应界面位置.对应离散LevelSet方程和界面两侧的两套Euler方程,借助于Ghost网格方法来完成离散.对最后网格点上的两套状态量的辨认依赖于该点的LevelSet值的符号.并进行了数值计算.     

多介质流动数值计算中的界面处理方法

求解Riemann问题得到界面接触间断的流动状态,并以此构造带状区域的虚拟流体状态,对于多维问题设计了一种方便有效的算法。同时求解耦合的守恒形式欧拉方程组和非守恒界面捕捉方程,并用Level-Set函数捕捉界面,数值计算采用高分辨率MWENO格式。最后对可压缩多介质流动问题进行了数值模拟。     

界面捕捉Level Set方法的(AMR)数值模拟

在流体力学方程的计算中采用高精度WENO格式,用AMR(adaptive mesh refinement)方法提高流场局部分辨率,在采用Level Set函数标定物质界面的计算中用GFM(ghost fluid method)方法进行界面处理,尝试将AMR技术与界面追踪技术相互融合并应用于数值模拟,对不同的模拟结果进行了比较.     

蒸汽-冷流体接触冷凝流动的数值模拟

介绍了关于蒸汽-冷流体直接接触冷凝流动与传热的数值计算模型与部分研究结果。用Level Set方法确定蒸汽-冷流体接触界面的位置和形状,建立了对蒸汽和冷流体普遍适用的动量、能量和质量守恒方程,在能量和质量寺恒方程中增加了部分项用于计算蒸汽冷凝所产生的影响。用有限差分法在交错网格上离散控制方程,用Runge-Kutta法-五阶WENO组合格式求解Level Set输运方程,用压力修正的迭代Projection方法求解动量方程,而用SIMPLE方法求解温度控制方程。对算例的计算结果表明,本文所建立的数值计算模型能反映物理现象的宏观特性。根据计算结果,分析了本文模型的优缺点,并指出了今后改进的方向。     

耦合Level Set方法处理介质界面研究

研究了耦合Level Set（LS）方法处理介质界面算法,通过对比旋转流场和剪切流场下的界面捕捉情况,给出了各种不同方法在处理介质界面过程中的优缺点,分析了产生这种现象的原因。通过对比分析得到,耦合粒子Level Set（Particle Level Set,PLS）方法以及耦合Level Set和VOF（Coupled Level Set and Volume of Fluid,CLSVOF）方法相比于单纯的LS方法,在流体守恒性质方面有很大的提高,PLS方法可以根据撒播粒子和精确追踪示踪粒子修正LS界面;而CLSVOF方法可以通过重构界面和体积输运,重新初始化LS函数。在实际物理应用中,PLS方法多次重新撒播示踪粒子会降低界面精度,且对每个示踪粒子的追踪需要加大CPU内存,而CLSVOF方法更加高效和合理。     

利用Ghost Fluid方法模拟激波与柱形界面相互作用

利用GhostFluid方法(后面简称Ghost方法)和γ-model方法,在同样的时空离散精度条件下,对激波与柱形界面相互作用的二维可压缩流场进行了直接模拟,并与实验结果相比较.从模拟结果看,在短时间内,Ghost方法和γ-model方法模拟的结果与实验结果基本相同,两种方法均正确地模拟出界面的位置、激波的强度和速度.但随着时间的发展,具有较大数值耗散的γ-model方法的计算结果与实验差别越来越大;而数值耗散较小的Ghost方法能较为正确地模拟界面的运动.     

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

采用可压缩多介质流体高精度PPM方法对实验模型进行数值计算,针对果冻内外界面10模峰对峰、峰对谷振幅为1 mm扰动模型,给出了与实验相对应时刻的数值计算结果,并对果冻内外界面位置、速度和加速度历史进行了详细分析。计算结果再现了复杂的实验现象,基本物理现象与实验图像以及计算结果和实验数据均相吻合。     

Ghost Fluid方法与双介质可压缩流动计算

应用带有Isobaric修正的GhostFluid方法配合LevelSet方法计算可压缩双介质无粘流动.该方法可以消除计算流体界面时所产生的数值跳动和耗散,且编程上比界面跟踪法简单.应用WENO格式数值求解欧拉方程和LevelSet方程,对由刚性气体状态方程所支配的一二维双介质流动进行数值计算,得到了分辨率较高的计算结果.     

虚拟流体方法的设计原则

研究模拟可压缩多介质流的虚拟流体方法,建立一般状态方程下定义虚拟流体状态的基本原则.根据波系结构和使用的自由变量分别推导虚拟流体状态的定义方式.结果表明在这些方式下求解多介质Riemann问题理论上完全精确.进一步总结几种简单有效的虚拟流体方法,这些定义方式不依赖于虚拟流体区域可能产生的波系结构.其中一种类似于反射边界条件,只是界面速度需要首先精确预测出来.数值算例验证了研究结果的合理性.     

虚拟流体方法的显隐算法

基于算子分裂,把欧拉方程分裂成对流项和非对流项两部分,建立一种基于原始变量的二阶显隐算法.由通常的虚拟流体方法显式地预估流场,用隐式的压力修正对预估解进行修正.计算结果表明,这样可以有效增大时间步长,提高计算效率.     

The Modified Ghost Fluid Method Applied to Fluid-Elastic Structure Interaction

In this work, the modified ghost fluid method is developed to deal with 2D compressible fluid interacting with elastic solid in an Euler-Lagrange coupled system. In applying the modified Ghost Fluid Method to treat the fluid-elastic solid coupling, the Navier equations for elastic solid are cast into a system similar to the Euler equations but in Lagrangian coordinates. Furthermore, to take into account the influence of material deformation and nonlinear wave interaction at the interface, an Euler-Lagrange Riemann problem is constructed and solved approximately along the normal direction of the interface to predict the interfacial status and then define the ghost fluid and ghost solid states. Numerical tests are presented to verify the resultant method.     

虚拟流体方法中界面处Riemann问题定义方式的改进

对RGFM中定义Riemann问题的方式进行改进,取距离界面适当远处的插值点处的状态作为Riemann问题的初值.并用数值算例对改进前后的RGFM进行比较.     

Modified Ghost Fluid Method as Applied to Fluid-Plate Interaction

The modified ghost fluid method (MGFM) provides a robust and efficient interface treatment for various multi-medium flow simulations and some particular fluid-structure interaction (FSI) simulations. However, this methodology for one specific class of FSI problems, where the structure is plate, remains to be developed. This work is devoted to extending the MGFM to treat compressible fluid coupled with a thin elastic plate. In order to take into account the influence of simultaneous interaction at the interface, a fluid-plate coupling system is constructed at each time step and solved approximately to predict the interfacial states. Then, ghost fluid states and plate load can be defined by utilizing the obtained interfacial states. A type of acceleration strategy in the coupling process is presented to pursue higher efficiency. Several one-dimensional examples are used to highlight the utility of this method over loosely-coupled method and validate the acceleration techniques. Especially, this method is applied to compute the underwater explosions (UNDEX) near thin elastic plates. Evolution of strong shock impacting on the thin elastic plate and dynamic response of the plate are investigated. Numerical results disclose that this methodology for treatment of the fluid-plate coupling indeed works conveniently and accurately for different structural flexibilities and is capable of efficiently simulating the processes of UNDEX with the employment of the acceleration strategy.     

SPH方法气-液界面边界条件研究

针对界面附近粒子光滑函数截断和非物理穿透问题,提出一种气-液界面边界条件的处理方法.当界面附近支持域出现不同材料粒子,每步计算可在支持域设置虚粒子,按照密度分配方法给虚粒子物理量赋值,并对界面附近粒子引入气-液两相阻力.采用SPH方法和Level-Set方法,计算运动激波对气-液界面作用问题,两者计算结果一致,初步验证了气-液界面边界条件处理的适用性.用SPH方法分别计算超声速气流中的圆截面液柱绕流和下落问题,界面两侧粒子压力和法向速度连续,给出弓形激波、回流区和下游回流区等定性合理结果.表明本文方法可适度避免界面附近流体粒子光滑截断和粒子非物理穿透现象、界面附近流场数值振荡.     

考虑壁面接触效应的微流动数值模拟

使用level set和volume of fluid(VOF)方法对考虑壁面接触效应的不可压缩两相微流动进行数值模拟.对于level set方法,计算基于MAC网格,使用二阶投影算法求解二维Navier-Stokes(N-S)方程和level set函数方程;对于VOF方法,通过引入计算网格内的体积分数,将流场的参数转化为体积平均值,界面的形状由体积分数连续方程的解决定.给出一些计算实例,并和现有的实验结果进行比较.     

弹性板水下爆炸冲击载荷的修正虚拟流体方法分析

研究非接触水下爆炸中板结构厚度和密度对冲击载荷和空化演变的影响.将近期发展的修正的虚拟流体方法推广应用于处理可压缩流体与弹性板结构的非线性相互作用.研究发现,假设结构不发生断裂破坏,较小的板厚度或密度可以减弱爆炸波对结构的冲击,冲击载荷随着厚度或密度的增大非线性地趋向于固壁边界下的结果.而且较小的板厚度或密度可以促使空化较早形成,产生较大的空化区,并推迟和减弱空化破裂对结构的二次冲击.     

基于求解Riemann问题的界面处理方法

通过在界面处构造Riemann问题,根据流体的法向速度和压力在界面(接触间断)处连续的特性,利用Riemann问题的解不仅定义了ghost流体的值,而且对真实流体中邻近界面的点值进行了更新,使得在界面处的流体的状态满足接触间断的性质,给出了更加精确的界面边界条件,守恒误差分析表明该方法在界面计算过程中引入较小的误差.数值试验表明该方法能准确地捕捉界面和激波的位置.