界面追踪的Level Set和Particle Level Set方法

Level Set方法是20世纪90年代很流行的界面追踪技术,国外已有个别实例将此方法应用于不可压缩流体的计算。但其对界面具有抹圆的作用．造成梯度很大的界面失真。Particle Level Set方法可以弥补这一缺陷。本文首先介绍了这两种界面追踪的方法。然后采用五阶WENO格式离散空间导数,并采用三阶TVD-Runge-Kutta方法离散时间导数,用计算机Fortran语言建立了界面追踪的模型。最后通过平移流场中的同心方框、旋转流场中的缺口圆和剪切流场中圆的三维界面的追踪算例,对两种方法进行了对比验证。同时．用剪切流场中圆的算例对比了Particle Level Set和单纯拉哥朗日方法。结果表明,Particle Level Set对界面的描述更为精细．可以用于大梯度的界面追踪;Particle Level Set和单纯拉哥朗日方法的结果很接近。     

数值模拟二维溃坝

该文应用Level Set方法研究了二维溃坝问题.用二阶投影法和高阶迎风格式求解二维Navier-Stokes方程,用CIP(cubic-Interpolated Pseudoparficle)方法求解Level-Set方程.通过数值计算得到了各个时刻溃坝运动界面的变化和相应速度的分布,该文的数值结果与相关的数值实验结果基本一致,说明该文的算法对于捕捉溃坝波的破碎和融合是实用且有效的.     

楔形流道内单气泡动力学行为特性研究

楔形流道是一个具有复杂物理边界的流场,对其内部气液两相流动特性的研究具有现实意义.该文首先对孔板流量计内掺混气泡的两相流体建立了数学模型,采用贴体坐标系同位网格下的SIMPLE算法解决了速度与压力的耦合问题,改进了贴体坐标下Level Set方法,并利用其对楔形孔板流量计内单气泡两相流场进行了模拟.针对不同Re数和不同We数时其内部流场的模拟结果进行了分析,得出流场内气泡形态及其流动特性的变化规律.     

小振幅驻波的数值计算

将快速行进法和源点扫描法的思想结合起来,改进了非结构网格下Level Set方法的实现策略,结合人工压缩法,求解小振幅驻波问题。对2种不同波幅的驻波分别进行了计算,结果和理论吻合较好。计算中Level Set策略很稳定,没有产生数值性的破碎,表明改进后的Level Set方法可用于不同幅度振幅波问题的计算。     

竖直楔形流道内二维浮力气泡上升的数值模拟

为解决Level Set方法中气泡体积非守恒性以及非正交网格引起的流场数值耗散问题,该文引入体积修正法和窄带重新初始化方法,并结合贴体坐标下的SIMPLE算法首次对楔形流道内气泡的运动机制进行了模拟研究,分析了气泡在竖直楔形流道内上升过程的形态演变,获得了竖直速度、水平速度、气泡纵横比以及气泡倾斜角等参数的变化规律。     

用LEVEL SET方法计算溃坝波的传播过程

溃坝波的数值模拟在于正确地计算坝体溃决后上下游水面的迅速变化过程。本文研究了近年发展起来的求解两种流体界面的Level Set方法及其在具有自由表面的水动力学问题中的应用。对不同底坡上的二维溃坝波进行了计算，取得了和实验资料符合良好的结果。     

基于三种方法的螺旋桨敞水性能数值预报

该文基于三种不同的CFD方法:多重坐标参考系法(MRF)、任意网格界面元法(AMI)和重叠网格方法(Overset)对某一四叶螺旋桨的敞水性能进行数值模拟和预报,并对螺旋桨周围的流场进行了分析。其中,对于任意网格界面元法(AMI)与多重坐标参考系法(MRF),分别采用开源CFD计算软件Open FOAM所提供的求解器pimple Dy MFoam与MRFSimple Foam进行计算;对于重叠网格方法(Overset),采用基于Open FOAM平台开发的具有重叠网格模块的船舶与海洋工程水动力求解器—naoe-FOAM-SJTU进行求解。通过与试验结果的对比以及方法间的比较,验证了三种方法在螺旋桨敞水性能预报中的可靠性和有效性,并总结了各方法的特征与优劣。同时也对螺旋桨附近的流场特征进行了讨论与分析。     

Level Set方法求解三维大幅晃动问题的分步有限元法

取与容器固结的坐标系，将外激励视为质量力，针对刚性容器内流体三维非线性大幅晃动问题，提出了在时间和空间上均具有二阶精度的两步Taylor—Galerkin分步有限元方法。该法首先显式地求解忽略压力梯度项的中间速度场，然后由压力泊松方程求得压力场，再根据求得的压力对速度场进行修正。求解中利用Level—Set方法隐式地追踪自由面，即在每个时间步求解Level—Set函数随水流的输运方程，并通过迭代的方法对其进行重新初始化，以保持为距离的函数，从而达到捕捉自由面的目的。控制方程统一采用简单方便且具有较高精度的两步Taylor—Galerkin格式进行离散，并通过两个算例验证了本文数值方法的正确性和有效性。     

气泡从浸没孔中生成与上升的数值模拟

应用改进的Level Set方法和Navier-Stokes方程，结合ALE数值算法，三维模拟了常流量下气泡在静止黏性液体中从浸没孔中生成与上升的过程。考察了气泡在两种不同的黏性液体以及在单孔和多孔条件下的生长过程。模拟结果与实验观测定性相符。数值试验表明，改进的Level Set方法改善了气泡的容积守恒性。模拟结果显示，在不同的黏性液体中单孔气泡的生成行为很不相同，在Paratherm传热流体中生成的气泡直线上升，而在水中则是盘旋上升；多孔气泡的生成不同步，气泡的尺寸及空间分布极其不均匀。     

三角形网格上VOF运动界面重构的流体体积分数保持法

针对处理无结构三角形网格上运动界面问题的流体体积函数(VOF)法提出一种新的界面重构算法--流体体积分数保持法. 该方法在单个三角形网格内用斜线段近似运动界面,并要求相邻网格内的斜线段在公共边上的交点重合,通过保持网格内的流体体积分数不变,根据界面网格类型在边界网格上建立非线性方程组,最后通过求解该非线性方程组确定运动界面边界线与网格线的交点位置,最终重构出运动界面的形状.算例模拟的结果表明, 该方法能够比较精确的构造出流体界面,证实了新方法的有效性和可行性.