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rGFM和Level-set方法在水柱群和喷管流场计算中的应用

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计算物理 2019年第2期36卷 165-174页

作者：丁生荣徐胜利卢键方张梦萍中国科学技术大学数学学院安徽合肥230026 清华大学航空航天学院北京100084 北京计算科学研究中心北京100193

计算平面运动激波和水柱群相互作用以及喷管流场.在Descartes网格中利用Level-set方法分别追踪气/水和气/固界面,采用rGFM方法处理气/水和气/固界面边界条件.将喷管内壁简化为气/固界面并施加固壁边界条件,内壁型线数据拟合采用三次样... 详细信息

计算平面运动激波和水柱群相互作用以及喷管流场.在Descartes网格中利用Level-set方法分别追踪气/水和气/固界面,采用rGFM方法处理气/水和气/固界面边界条件.将喷管内壁简化为气/固界面并施加固壁边界条件,内壁型线数据拟合采用三次样条插值.采用5阶WENO格式分别求解Euler方程、level-set方程和界面重新初始化方程.给出激波和水柱群相互作用流场密度纹影图和指定点p-t曲线以及喷管流场压力、密度云图和速度场.改进界面法线确定方法可提高Riemann问题构造精度.可分辨运动激波和水柱群作用产生的复杂激波波系,表明激波在各水柱界面的透射和反射、在列和行水柱界面的多次反射和透射.水柱群下游区域的激波波后压力下降,表明激波加热水柱群附近气流和反向运动的反射激波造成了激波衰减.喷管流场数值解和理论解相符.

关键词：激波界面 WENO格式 Level-set方法 GFM方法

非理想爆轰波阵面传播的level set方法应用研究

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兵工学报 2010年第7期31卷 896-901页

作者：姜洋钟敏孙承纬李平柏劲松中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

为了较精确地对非理想爆轰波的传播进行计算,基于爆轰冲击波动力学(DSD)理论,研究了计算二维贴体坐标系中爆轰波阵面传播问题的level set方法。根据Ham ilton-Jacobi方程的Godunov差分格式,提出了非正交的贴体坐标系中level set函数方... 详细信息

为了较精确地对非理想爆轰波的传播进行计算,基于爆轰冲击波动力学(DSD)理论,研究了计算二维贴体坐标系中爆轰波阵面传播问题的level set方法。根据Ham ilton-Jacobi方程的Godunov差分格式,提出了非正交的贴体坐标系中level set函数方程的差分格式及其相应的数值方法。将level set方法应用于自行研制的二维流体动力学程序TDY2D得到编码TDY_DSD,对爆轰波的传播及爆轰驱动的实验模型进行了数值模拟计算,所得的计算值均与实验值符合较好。计算结果表明了TDY_DSD程序的正确性和有效性,具有较高计算精度。

关键词：爆炸力学爆轰驱动爆轰冲击波动力学理论 Level-set方法贴体坐标系数值模拟

基于Level-set方法的小孔和熔池动态形成过程模拟研究

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基于Level-Set方法的小孔和熔池动态形成过程模拟研究

作者：史如坤湖南大学

学位级别：硕士

激光焊接在航空航天、汽车、铁路、大型舰船等国民经济领域中广泛应用，但激光深熔焊接过程物理现象非常复杂，目前学术界对焊接中小孔及熔池动态形成机理的理解尚不清楚。围绕上述关键基础问题,本文在总结激光深熔焊接现有研究成果的... 详细信息

激光焊接在航空航天、汽车、铁路、大型舰船等国民经济领域中广泛应用，但激光深熔焊接过程物理现象非常复杂，目前学术界对焊接中小孔及熔池动态形成机理的理解尚不清楚。围绕上述关键基础问题,本文在总结激光深熔焊接现有研究成果的基础之上，建立了基于Level-set方法的小孔和熔池动态形成过程三维仿真模型，该模型可实现对焊接过程中运动气液界面的追踪，从而得到焊接小孔和熔池的瞬态形貌。本文主要研究了激光深熔焊接过程中小孔和熔池动态的形成过程，模型中考虑了自由界面演化、表面蒸发、Knudsen层、均值沸腾以及光束在孔内多次反射传输等因素。同时，本文还理论分析和模拟研究了焊接过程中小孔和熔池动态形成阶段的等离子体特征参量，如温度分布、功率密度分布，压强分布及速度分布。首先，本文构建了基于Level-set方法界面追踪模型，对Level-set方法在激光焊接中的应用做了模型化公式推导，包括level-set方程的离散化、运动界面的法线与曲率的演算、窄带化的自适应网格理论和重新初始化。其次，构建了焊接小孔形成数值模型，采用Level-set方法追踪气液界面的运动，采用混合连续模型追踪固液界面的运动。通过Navier-Stokes方程推导出气液界面处动量的边界条件，考虑了导致小孔和熔池形成的两个主要的驱动力-热毛细力和金属蒸汽的反冲压力。通过将同工艺参数下计算得到的小孔和熔池仿真结果与同轴在线监测装置拍摄得到的小孔及熔池对比，小孔直径与熔池宽度误差分别为8%和6.6%，结果证明该模型较准确的反映了焊接小孔及熔池动态形成。再次，通过界面形貌、金属蒸汽流场、孔壁功率密度和温度分布等方面，研究了激光深熔焊接小孔和熔池的瞬态形貌特征及动态形成过程。结果表明：焊接过程中焊接熔池高于焊接表面，熔池在小孔前沿薄后沿厚，温度梯度在小孔前沿大后沿小，小孔及熔池前沿和后沿存在明显的非对称性;通过激光焊接过程中金属蒸汽流速度场发现孔壁上蒸发的金属蒸汽由孔壁流向小孔中轴线，且向孔外喷射;金属蒸汽在小孔中轴线处的流速高于孔壁处的流速，小孔顶部处的流速高于孔底处的流速，最大流速80m/s;孔壁上的激光功率密度分布不均匀，孔底激光功率密度最大;孔壁最高温度为3700K，高于汽化温度567K，位于孔底处;激光照射到材料的瞬间，孔深变化速度最快，为0.21mm/ms;小孔形成的初级阶段孔深的变化较快，但随着小孔深度的增加，孔深变化速度逐渐下降。最后，对焊接小孔和熔池动态形成过程中的等离子体特征进行了模拟研究，模型基于质量和能量守恒，考虑了焊接过程中的均值沸腾和表面蒸发现象，同时考虑了等离子体对激光能量的吸收与辐射，模型模拟了金属蒸汽和等离子体的动态形成过程及焊接工件上方等离子体形态的变化，得到了2.2ms时刻等离子体中心的最高温度达到4300K;分析了金属蒸汽和等离子体形成后对孔壁的压强场的分布，孔内的最大压强为4×105Pa，是标准大气压的4倍，并指出金属蒸汽和等离子体对液态金属表面产生压强是小孔形成和熔池流动的直接因素;得到了金属蒸汽与等离子体沿小孔径向的速度分布，该时刻蒸汽与等离子在小孔径向的最大流速为60m/s，最大流速位于蒸汽与等离子体流体中心处且接近孔底的位置，且金属蒸汽与等离子体沿流体轴线上方向与径向方向的流速下降;考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度最高为3.5×109W/m2，而未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度最高为4×109W/m2,等离子体对激光能量的吸收会降低孔内功率密度的分布。研究结果将为激光深熔焊接小孔和熔池动态形成及等离子体对激光能量吸收的机理研究和模拟研究提供理论依据。

关键词：激光焊接数值模拟 Level-set方法小孔熔池等离子体

level set方法在两相不可压缩流体分界面动力学中的应用

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Level set方法在两相不可压缩流体分界面动力学中的应用

作者：邓学飞山东大学

学位级别：硕士

两相流体动态边界在许多科学应用中都发挥着重要的作用[1]，例如LOX／H2火箭发动机。动态边界决定了原子化过程，比如液体喷射层打破变成小水滴，这个动态过程可以分为两个连续的阶段，初始阶段和随后的原子化阶段。第一个阶段是初始原... 详细信息

两相流体动态边界在许多科学应用中都发挥着重要的作用[1]，例如LOX／H2火箭发动机。动态边界决定了原子化过程，比如液体喷射层打破变成小水滴，这个动态过程可以分为两个连续的阶段，初始阶段和随后的原子化阶段。第一个阶段是初始原子化过程，把液体喷射层变成小的结构，接下来的第二个过程是把这些小结构打破成更小的水滴。我们考虑第一个过程，描述了这个过程中边界的变化，第二个过程由于这些小的水滴体积小于我们的网格大小，不做讨论。 M.Herrman在[1]中讨论了一个涡流层问题。边界两边的两种无粘性流体有相同密度，在边界两边速度不连续，在水平方向上有周期性边界条件，作者对速度在切线方向上的跳跃在动态边界上求积分，得到流体内任意一点的速度，再用Level-set方法追踪动态边界，得到很好的结果。在[2]中M.Herrman将这种方法拓展到三维空间中。 Level-set方法是一种描述动态隐式边界的方法，这种方法的重要思想是用Hamilton-Jacobi函数逼近描述隐式边界的运动方程。如果知道边界的位置，可以求出各个点的符号距离函数的值，再根据具体的问题求出边界上的速度。根据法方向上速度相同的原则，把速度扩展到边界周围的点上去，再用level-set方程求出下一时刻各点的值。为了防止符号距离函数变形，要行重行初始化的过程。Level-set方法在计算过程中用到很多Hamilton-Jacobi方程。在离散计算（1）的时候用到迎风格式，为了稳定性，离散格式要满足Courant-Friedreichs-Lewy条件。如果要求更高的精度，可以用ENO或WENO格式结合TVD Runge-Kutta方法。本文讨论了[1]中涡流层问题，边界两边是不可压缩流体，密度不同，有不同粘度，为了描述动态边界的速度，用到了N-S方程，在计算N-S方程的时候用到投影

关键词： Eulerian方程 Level-set方法动态边界涡流层

多介质流动改进型level-set重新初始化方法

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空气动力学学报 2006年第4期24卷 438-443页

作者：张学莹赵宁河海大学理学院江苏南京210098 南京航空航天大学航空宇航学院江苏南京210016

根据level-set函数在网格点处的值,预估出间断面的位置,并对间断面附近网格点上的LS值作相应调整,使其保持距离函数的性质,能够避免由于重新初始化造成间断面位置移动的问题。数值计算采用高精度WENO格式,对于多个可压缩流问题进行了数... 详细信息

根据level-set函数在网格点处的值,预估出间断面的位置,并对间断面附近网格点上的LS值作相应调整,使其保持距离函数的性质,能够避免由于重新初始化造成间断面位置移动的问题。数值计算采用高精度WENO格式,对于多个可压缩流问题进行了数值模拟,表明了该方法的有效性。

关键词：双曲型守恒律 Level-set方法 WENO格式间断GFM

一种改进的level-set函数重新初始化方法

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应用数学和力学 2004年第10期25卷 991-996页

作者：王志亮周哲玮上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072

　改进了level＿set界面捕捉方法中的level＿set函数重新初始化方法,通过锁定界面位置来实现level＿set函数重新初始化过程,较好地保持了在重新初始化过程中的界面位置的准确性,保障了流体体积的相对稳定·　对剪切运动使流体界面变形... 详细信息

　改进了level＿set界面捕捉方法中的level＿set函数重新初始化方法,通过锁定界面位置来实现level＿set函数重新初始化过程,较好地保持了在重新初始化过程中的界面位置的准确性,保障了流体体积的相对稳定·　对剪切运动使流体界面变形的算例表明方法对level＿set函数重新初始化过程中的体积保持比较有效。

关键词： Level-set方法体积守恒重新初始化

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泡沫在孔隙介质中的微观流动特征研究

西南石油大学学报（自然科学版） 2022年第4期44卷 111-120页

作者：纪佑军王力龙韩海水蒋国斌王泽根西南石油大学地球科学与技术学院四川成都610500 中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院新疆哈密839009 中国石油勘探开发研究院北京海淀100083 中国石油西南油气田分公司安全环保技术监督研究院四川成都610095

泡沫在孔隙中的流动行为影响波及范围和驱油效率,对提高采收率起到重要作用。首先,建立单毛管模型,利用Level-set方法研究了泡沫在单毛管内流动的影响因素,分析了泡沫通孔隙介质中运移产生的贾敏效应、聚并机理和微观选择性运移机理,评... 详细信息

泡沫在孔隙中的流动行为影响波及范围和驱油效率,对提高采收率起到重要作用。首先,建立单毛管模型,利用Level-set方法研究了泡沫在单毛管内流动的影响因素,分析了泡沫通孔隙介质中运移产生的贾敏效应、聚并机理和微观选择性运移机理,评价了不同类型泡沫的封堵性能;然后,通过XB油田岩芯的CT图像构建了真实的孔隙介质微观数值模型,研究了泡沫在其中的运移特点。结果表明,泡沫变形程度随管径比的增大而减小,润湿壁接触角对毛细管内泡沫的流变性无影响,半径1.2μm的N_(2)泡沫破裂时的液相流速临界值为64 mm/s;泡沫通过孔道时所受压力与其表面张力成正比,泡沫具有优先通过大孔道的微观运移特征;N_(2)泡沫稳定性强,封堵性能好,较适合高含水期的低渗油田进行调驱,为现场采用气液分散体系进行调驱并提高采收率提供有益启示。

关键词：泡沫多孔介质毛细管两相流 Level-set方法

基于level-set的高能密度焊接熔池行为数值模拟

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基于Level-Set的高能密度焊接熔池行为数值模拟

作者：陈大卫重庆理工大学

学位级别：硕士

随着经济社会的发展,对焊接技术要求日益提高,使得科研人员对焊接的高效性和适应性更加重视,并加大力度进行研究开发。高能密度焊接是当今焊接技术重要的发展方向之一,它是利用高密度热流(10W/m以上)对材料进行焊接,实现材料的高效连接... 详细信息

随着经济社会的发展,对焊接技术要求日益提高,使得科研人员对焊接的高效性和适应性更加重视,并加大力度进行研究开发。高能密度焊接是当今焊接技术重要的发展方向之一,它是利用高密度热流(10W/m以上)对材料进行焊接,实现材料的高效连接,其包括激光焊、电子束焊、等离子弧焊、K-TIG焊等。基于大电流惰性气体钨极保护焊发展而的来K-TIG(keyhole-TIG)焊是一种非常重要的高能密度焊接工艺,它不同于普通TIG焊的较低的穿透能力,可以实现中厚板件的焊接。激光深熔焊技术是一种高效的高能密度焊接方法,具有能量密度大、熔深深、焊接不易变形、焊接速度较快等特点,可实现高质量、高效率、高精度的焊接。以上两种焊接技术及其复合焊接在航空航天、汽车、交通等工程领域有着广泛的应用。焊接过程中,熔池行为变化对焊接质量有决定性的影响,由于高能密度焊接熔池的小孔效应,熔池温度高、体积小、存在时间短以及非平衡凝固和相变等特点,对大电流TIG焊熔池和激光焊熔池采用实验方法进行深入研究还存在等诸多难点。利用模拟软件对焊接过程的传热和流体流动的进行数值模拟研究,为探索焊接热过程和熔池形态变化研究提供了重要的定量分析方法。为此,本文针对以上两种焊接技术的熔池行为变化进行数值模拟研究。根据大电流TIG焊熔池表面变形的特点,利用COMSOL多物理场分析软件针对大电流TIG焊熔池的温度场和速度场分布情况进行数值模拟研究。采用混合连续介质模型追踪固/液界面的运动;综合考虑了浮力、重力、表面张力和电弧压力对熔池形貌的作用;利用Level-set方法追踪自由表面,构建了大电流TIG定点焊熔池两相流数学模型,并通过与已有的实验结果相对比,验证了数学模型的模拟结果的可靠性。结果表明:熔池的自由表面随焊接时间的延长而发生凹凸变形;随着电流的增大,相同时间内熔池的自由表面下凹变的更为明显;熔池的最大温度在熔池形成后变化稳定,在一定温度区间内呈波动变化,各个时间点熔池的最大温度存在于熔池上表面、靠近熔池中心处,随着远离熔池中心和上表面,温度逐渐降低。熔池形成后,熔池内液体流速震荡变化,熔池的最大流速存在于熔池上表面靠近熔池中心处;熔池表面的流体流动方向由内向外,熔池内部流动方向为由外向内。并对比不同电流作用下的熔池行为。建立了激光焊熔池的数学模型。采用Level-set方法追踪气/液表面;熔池模型构建充分考虑了反冲压力、表面张力、浮力和重力作用。利用数学模型对激光焊熔池的温度场和速度场分布情况进行了数值模拟;分析了激光焊接小孔形貌的演变以及小孔形态对激光焊熔池的影响,着重对比分析了不同激光功率对熔池演化的影响。结果表明;激光深熔焊熔池形貌呈“钉”状,靠近上表面熔池较宽,熔池下部熔宽变小。熔池内形成的小孔呈细长状,焊接过程中小孔沿深度方向上的发展速度迅速;激光功率大小对熔池的深度和小孔深度的影响巨大,且熔池的深度和小孔深度的增长率随着激光功率的增加而增加;反冲压力是促使激光焊熔池形成小孔和增加熔深的主要作用力,并使得熔池流体流动的更为复杂多变;模拟结果与已有的试验结果吻合较好。建立了激光-TIG复合焊熔池的数学模型。模拟分析了激光-TIG焊熔池行为演变过程、熔池温度场和速度场分布规律。结果表明,复合焊熔池形状呈钉状,上宽下窄;熔池的深度和小孔深度变化较快,熔池宽度变化缓慢。对比了激光-TIG复合焊与单激光焊的熔池演变和小孔形貌变化过程,由于电弧热源的加入,复合焊熔池上部的宽度比单激光焊熔池上部宽度增加明显。复合焊熔池最高温度位于熔池中心且处于小孔底部壁面上;复合焊熔池内流体沿着小孔壁面向上流动,小孔顶部的流速高于底部的流速,熔池表面的流体速度大于熔池内部的流速,流体最大流速存在气/液界面处。本文采用数学模型对焊接过程中熔池行为变化过程进行数值模拟,分析熔池的瞬态变化、熔池的温度场和速度场分布规律,揭示熔池形貌变化规律,研究结果将为TIG焊、激光焊和激光-TIG复合焊接过程的理论研究提供参考。

关键词：大电流TIG焊激光焊熔池行为 Level-set方法数值模拟

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波浪对非淹没水平圆柱作用的数值分析

水动力学研究与进展（A辑） 2017年第6期32卷 747-755页

作者：陈善群吴昊任超洋廖斌安徽工程大学建筑工程学院安徽芜湖241000

该文选取URANS方程为控制方程结合k-?湍流模型,采用Level-set方法追踪自由面,建立一种用于研究波浪与非淹没水平圆柱作用问题的二维数值模型。运用该数值模型对较小KC数条件下波浪与单个以及两个串联非淹没水平圆柱作用问题进行深入的... 详细信息

该文选取URANS方程为控制方程结合k-?湍流模型,采用Level-set方法追踪自由面,建立一种用于研究波浪与非淹没水平圆柱作用问题的二维数值模型。运用该数值模型对较小KC数条件下波浪与单个以及两个串联非淹没水平圆柱作用问题进行深入的探讨。结果表明,在单个非淹没水平圆柱工况中,不同波幅以及淹没深度条件下数值模型对水平圆柱竖直方向波浪力随时间的演化曲线做了准确预测,并揭示了波幅以及淹没深度对圆柱波浪力的影响规律;在两个串联非淹没水平圆柱工况中,圆柱间距对上游圆柱波浪力的影响较为明显:圆柱间距较大时,上游圆柱波浪力的大小以及演化规律与单个圆柱工况相近;而圆柱间距较小时,上游圆柱波浪力负向峰值明显增加。

关键词：波浪力自由面非淹没水平圆柱 Level-set方法