基于梯度增量level-set方法的复杂物体入水砰击数值模拟

复杂结构物自由表面砰击问题,如空投鱼雷、水空无人航行器潜水和高速船出入水,一直是海洋工程领域的研究热点。本文采用梯度增量level-set和虚拟网格法数值模拟复杂结构物的入水砰击,采用时间半隐式有限差分法求解不可压缩Navier-Stokes方程,虚拟网格法可重构复杂结构物界面插值模块并施加无滑移边界条件,梯度增量level-set法可捕捉非线性自由表面翻卷、射流等物理现象。基于以上方法模拟二维圆柱的常速入水砰击,并与试验和数值结果对比,验证本文数值方法的正确性。最后,数值模拟二维船型剖面和飞机剖面的入水砰击,分析了冲击压力、运动响应、压力分布和自由表面运动随入水角度的变化规律。同时,通过模拟可观察到复杂结构浸入水中后的流体分离、射流和小角度空气腔等典型砰击物理现象。

基于Level Set方法的40CrMnMoA合金钢的奥氏体晶粒长大模型

为准确描述40CrMnMoA合金钢的奥氏体晶粒长大行为,借助Gleeble-1500D型热模拟机对40CrMnMoA合金钢进行了保温试验,温度为900~1150℃,时间为10~2000 s。基于试验结果,通过非线性回归建立了40CrMnMoA合金钢Burke-Turnbull奥氏体晶粒长大模型,构建了基于Level Set方法的40CrMnMoA合金钢奥氏体晶粒长大的介观尺度有限元模型并进行计算。结果表明:保温温度与保温时间对40CrMnMoA合金钢的晶粒长大行为均具有较大的影响。40CrMnMoA合金钢的奥氏体平均晶粒直径随保温时间的延长呈抛物线增长。所建立的Burke-Turnbull晶粒长大动力学模型具有较高的精度,试验值与计算值相关系数(R)为0.9932。40CrMnMoA合金钢奥氏体再结晶晶粒长大激活能(Q_(m))为142845.37 J/mol。通过对比仿真计算与试验所得的晶粒组织,验证了本文所建有限元模型可有效地预测40CrMnMoA合金钢的奥氏体晶粒长大演变过程。

Level-set法在液体晃荡研究中的应用

Level-set法是一种简便、通用、高效的计算分析空间运动界面的数值方法,本文尝试性地将Level-set方法应用于液体晃荡的研究,详细论述了应用该方法模拟液体晃荡的数学模型及数值解法。为了验证该方法处理晃荡问题的正确合理性,首先在势流假定下模拟了释放初始液面引起的自由晃荡,并将液面波动的数值结果与理论解析解进行了比较;然后模拟了二维矩形液箱做简谐横摇运动引起的液体受迫晃荡,计算结果以箱壁不同高度处的压强时间历经给出,并与实验结果进行了定量比较。计算结果初步表明采用Level-set方法研究液体晃荡现象是正确可行的。

基于Level-set法的液舱液体晃荡数值模拟

船舶液舱中液体晃荡现象已引起人们的深刻关注,液体晃荡载荷与效应成为航行中载液船舶安全性评估的重要内容之一。该文基于Level-set法,对一矩形液舱的两种工况下舱内的液体晃荡进行了数值模拟。通过计算,得到了液面起伏和压强的时间历经,结果显示Level-set方法可有效地模拟液体晃荡问题。

等离子熔积成形混相瞬态场的Level-Set方法模拟

提出了一种二维等离子熔积成形瞬态模型,该模型描述了液/气界面的自由表面发展,并模拟了熔池内流体流动和传热.采用Level-Set方法处理液/气界面边界条件,考虑了熔体流动的主要驱动力———表面张力梯度、表面曲率、浮力以及工件表面的对流散热等因素.用固液相统一模型来描述固/液界面处的熔融和凝固过程,并开发了相应的软件,对高温合金K163在不同扫描速度下的熔积层表面形貌、温度场以及熔池内流场进行了模拟分析.

可压缩多介质流体数值模拟中的Level-Set间断跟踪方法

针对可压缩多介质流体的数值模拟,发展了一种Level-Set间断追踪技术,用LS(Level-Set)函数追踪激波和捕捉界面,用Riemann问题解构造带状区域内的虚拟流体状态,对物理量的外推方法、间断附近虚拟流体的构造、间断推进速度的计算等问题进行了研究.最后对可压缩多介质流体一维和二维守恒律方程组进行数值模拟,数值计算采用通量重构的高精度WENO格式,计算结果令人满意.

Level-set法预报液舱内剧烈晃荡引起的冲击压强(英文)

基于Level-set 法就部分装载液体的液舱内剧烈晃荡引起的冲击压强进行了二维数值计算。为了模拟大幅晃荡引起的冲击压强, 重点对数值计算较为敏感的自由液面处的物性参数、初始化方程的求解等进行了数值处理。通过对某一矩形液舱内的液体晃荡的计算, 得到了自由表面位置和压强的时间历经曲线。计算结果同实验值的比较表明: 本方法可以用于计算预报大幅晃荡引起的载荷。

基于Level Set方法的医学图像分割

对图像分割进行了研究,这是医学图像处理中的关键问题之一.提出了一种结合Fast Marching算法和Watershed变换的医学图像分割方法.首先用非线性扩散滤波对原始图像进行平滑,然后利用Watershed算法对图像进行过度分割,最后用改进的Fast Marching方法对图像进行分割.除此之外,根据区域之间的统计特性的相似度重新定义了Fast Marching方法的速度函数.实验结果表明,该方法能够快速、准确地得到医学图像的分割结果.

Level Set方法及其在两相流数值模拟研究中的应用

本文介绍了一种崭新的捕捉两相流相界面的 Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｔ方法，并应用该方法对两种互不相容流体间的平面界面波动现象进行了数值模拟，捕捉到了两相流界面波动过程中的一些复杂现象。计算结果与实验观测现象符合良好，表明这种方法是一种很有前途的两相流数值模拟方法，很值得进一步研究和推广。

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。

用Level Set方法对水下两个气泡运动的数值模拟

利用Level Set方法,三维数值模拟了两个气泡的上升运动.通过改变气泡尺寸及位置,研究气泡对在上升过程中的尾迹流及其相互作用规律.数值模拟准确再现了气泡对的变形、吸引或排斥行为,气泡上升速度计算结果与经验关联式结果吻合;气泡周围的速度场揭示了两个气泡尾迹流的流体动力学作用;对于水平或垂直放置的气泡对,当下方气泡有大于50%的投影面积进入到上方气泡的尾流区时,两个气泡将发生聚并现象.

Level set方法在空化流动计算中的应用(英文)

文章将Level set方法应用于自然空化与通气空化流动计算中,通过耦合入相间的质量传输方程,建立了一个用于描述气、汽、液多相空化流动的数值模拟方法,分别对绕圆头回转体和Clark-Y型水翼的自然空化流动和绕圆盘的通气空化流动进行了数值模拟研究,并与实验结果进行了对比,研究结果表明:相较常用的多相流模型(mixture model),Lev-el set方法通过时间和空间上的压缩离散方案,减小了相间界面的扩散,准确地捕捉到了相间的界面,可以有效地运用于空化多相流动。

基于Level-Set方法的小孔及熔池动态形成数值模拟

构建了激光深熔焊接三维混合态连续模型,模拟了固液界面过渡层的固、液态共存和熔池高于焊接表面的特征,并采用Level-Set方法追踪了气液界面的移动,计算得到了小孔和熔池的动态形成过程.结果表明,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;孔壁上蒸发的金属蒸气由孔壁流向小孔中轴线,且向孔外喷射;孔底吸收的激光功率密度最大,最高温度3 700 K位于孔底,高于汽化温度567 K;小孔形成的初期阶段孔深的变化较快,但随着小孔深度的增加,孔深变化速率逐渐下降.

近水面水下爆炸二维Level-set数值模拟

水下爆炸是一个多介质、动边界、瞬态非线性过程,捕捉介质之间交界面的变化是数值模拟的一个难点。本文采用Level-set方法来描述水下爆炸气体产物和流体交界面以及自由表面变化,应用TVD(Total Variation Diminishing)计算技术求解Level-set流场,首先建立了近水面水下爆炸的二维数值方法,然后,将该方法推广到流场内有刚性结构的情况,考虑了冲击波和刚性结构物的相互作用。为了模拟无限边界流场问题,引进了Thompson建立的无反射边界条件。

基于Level Set方法的人脸轮廓提取与跟踪

提出一种基于levelset方法的图像序列中人脸轮廓提取与跟踪算法 ,首先利用图像帧间差分快速检测出运动区域 ,并根据人脸图像的投影映射规则确定人脸所在的外接矩形 ,然后以此矩形作为初始曲线 ,采用一种改进的levelset模型精确提取出人脸轮廓 .由于图像序列中人脸是一直运动的 ,该文引入一阶线性Kalman滤波模型对人脸运动进行估计 ,从而较好地跟踪了运动中的人脸轮廓 .

基于Level set方法的微观水驱油模拟分析

通过引入Level set方法,构建两相界面运移数学表征方法,结合Navier-Stokes方程建立两相微观渗流数学模型,借助有限元方法进行求解,并利用微观玻璃刻蚀模型驱替实验验证数值模拟结果。结果表明,基于该渗流数学模型的数值模拟结果与实验结果的吻合度很高。利用Navier-Stokes方程并结合Level set方法实现了两相流体驱替的微观数值模拟,从而为研究微观两相渗流特征及驱油机理提供了一种新方法。在不等径并联喉道单元模型基础上,进行了不同驱替条件下的数值模拟计算,分析了发生孔隙尺度两相窜流的临界喉道直径比的变化特征,结果表明驱替压差及油水两相黏度比越大,越容易发生微观窜流,更易导致在较小喉道中形成微观残余油。本文研究结果为微观水驱油机理的进一步研究奠定了基础。

基于Level Set方法的曲线演化

Level Set方法是一种描述曲线以曲率相关的速度演化的有力工具,最近几年在医学图像处理、自然现象的模拟以及计算机视觉等领域得到了广泛的应用.其中,曲线演化后的平滑算法和轮廓跟踪方法是Level Set方法实际应用中的两个关键算法.给出了一种平滑Level Set距离函数的简单方法.该方法只采用内插值的方式,消除平面上的全部孤立点以及部分可能产生歧义的点,在允许存在部分冗余点的情况下,利用曲线轮廓跟踪算法,得到平面上所有曲线的轮廓.经过实验验证,该方法简单、高效,适应范围广.

一种基于FCM和LevelSet的MRI医学图像分割方法

对基于区域的几何活动轮廓模型中的区域项进行了改进.改进后的算法不仅解决了原算法存在的稳定性问题,同时也有效地提高了分割速度.算法还被成功地扩展到能够分割多种脑组织,且分割质量显著提高.多种子初始化方式的采用,进一步降低了算法对初始条件的敏感性,同时也减少了人工干预.对模拟和真实脑MRI图像的分割实验证明了改进的可行性和有效性,噪声条件下分割的比较分析也表明改进后的算法具有良好的韧性.

充模过程的Level Set两相流模拟

采用Level Set两相流方法模拟了熔体充模过程,避免了处理复杂的边界以及用Ghost方法将熔体内的速度值外推到熔体外的情况。分别对型腔水平中面与垂直中面的充模过程进行了模拟。讨论了不同注射速度、不同注射口数量以及不同Reynolds数对充模过程的影响,得出了不同时刻各种情况下熔体界面的位置与充模过程刚结束时型腔内的压力分布,分析了熔体在型腔内运动的不同阶段的特点及形成不同阶段的原因。结果表明,在注射口宽度与型腔宽度相差不大的情况下,如果采用中低速充模,则整个充模运动过程以比较平稳的扩展性运动为主,充模较完全,熔体不发生破裂,制件效果较好。充模速度越大,熔体达到平稳流动的时间越短,充模过程越短。数值模拟结果与实验结果一致,同时表明Level Set两相流方法在求解拓扑性质发生较大变化问题时具有很大的优势。

求解不可压缩两相流的复合Level Set-VOF方法

目前,不可压缩两相流问题的数值求解方法主要有VOF方法和Level Set方法等.根据CLSVOF方法基本思想,通过将VOF和Level Set两种方法结合,实现了复合Level Set-VOF方法追踪不可压缩两相流相界面的模拟计算;对比分析了VOF、Level Set和复合Level Set-VOF方法计算经典两相流问题的结果.研究结果表明,复合Level Set-VOF方法继承了VOF方法精确构造相界面和Level Set方法精确计算表面张力的优点,能够有效削弱两相流求解过程中出现的虚假流动问题,因此可以更加精确地求解不可压缩两相流问题.