本文選題：界面追蹤 + level-set��； 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：本文研究運(yùn)動(dòng)激波和多物質(zhì)界面相互作用問題。假設(shè)氣體和水為無黏可壓縮介質(zhì),采用Euler方程描述可壓縮介質(zhì)流場。將GFM方法拓展到多物質(zhì)界面和計(jì)算域邊界條件處理,采用level-set方法追蹤氣/氣、氣/水和氣/固界面,界面邊界條件處理同時(shí)考慮虛擬流體和當(dāng)?shù)卣鎸?shí)流體的某些性質(zhì)。氣/氣界面采用OGFM方法定義邊界條件。氣/水界面采用文獻(xiàn)修正的rGFM方法定義邊界條件,提高了 Riemann問題構(gòu)造的精度。氣/固界面基于GFM方法通過外推參數(shù)定義固壁邊界條件。本文采用有限差分方法分別求解流場控制Euler方程(雙曲守恒律方程)、界面level-set方程和重新初始化方程(Hamilton-Jacobi方程),結(jié)合方程特點(diǎn),空間離散分別選用合適的五階WENO格式,時(shí)間離散選用三階TVD Runge-Kutta 方法。本文首先重復(fù)了文獻(xiàn)中的算例,如Sod和Lax激波管問題、界面在旋轉(zhuǎn)和剪切流場運(yùn)動(dòng)和變形、水下氣泡膨脹以及激波和單個(gè)水/固體圓柱相互作用。給出了壓力分布、界面位置等計(jì)算結(jié)果,表明本文與文獻(xiàn)結(jié)果是符合的,也驗(yàn)證了本文數(shù)值方法和計(jì)算程序。在此基礎(chǔ)上,本文對運(yùn)動(dòng)激波和雙列水/固柱、單列水柱以及同時(shí)包含He氣泡、氣水和氣固界面相互作用問題進(jìn)行了計(jì)算,給出了不同時(shí)刻的流場密度紋影圖和指定點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線。主要結(jié)論概述如下:(1)對于空氣中激波分別和雙列水柱/固體圓柱相互作用問題,計(jì)算結(jié)果表明:激波在水柱和固體圓柱表面間發(fā)生規(guī)則和Mach反射、透射等現(xiàn)象,相鄰界面的反射激波還會進(jìn)一步發(fā)生透射和反射,流場激波波系結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。除了水柱的透射激波外,水柱和固體圓柱表面的反射激波及其相鄰水柱/圓柱反射激波的相互透射和反射產(chǎn)生的激波波系結(jié)構(gòu)幾乎相同。原因是:水相對于空氣密度和慣性都很大,在激波掃過柱體的短時(shí)間內(nèi),水柱運(yùn)動(dòng)和變形較為緩慢,與固體圓柱類似�？諝夂退曌杩共町愂沟盟湛諝鉀_擊波能量很小,而固體圓柱內(nèi)部無能量吸收,兩者表現(xiàn)較為一致。水柱和固體圓柱下游均出現(xiàn)旋渦。(2)對于空氣激波與不同直徑、不同數(shù)量單列水柱相互作用問題,計(jì)算結(jié)果表明:水柱直徑越大或者數(shù)量越多,即孔隙率越小,激波傳播過程中所受阻礙就越大,其受擾動(dòng)程度也就越劇烈,導(dǎo)至相鄰水牲或固體圓柱出現(xiàn)"泡狀激波",類似噴管的喉道起動(dòng)激波。(3)對于空氣激波同時(shí)與He氣泡、水柱和間體圓柱相互作用問題,計(jì)算結(jié)果表明:激波在不同物質(zhì)界面產(chǎn)生了不同的激波波系結(jié)構(gòu)。其中,水柱和固體圓柱表面的激波結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度相似,但He產(chǎn)氣泡界面附近激波結(jié)構(gòu)差異顯著,界面形變劇烈,激波衰減程度較大。原因是:水和He氣、空氣聲阻抗趨異巨大,水中透射激波能量低,因此,水和固體圓柱激波結(jié)構(gòu)接近,但He氣密度小于空氣且He氣與空氣的聲阻抗差異很小,He氣泡慣性小,受激波沖擊作用產(chǎn)生較大變形和明顯運(yùn)動(dòng),He氣泡吸收能量較大,因而透射激波強(qiáng)度較大,導(dǎo)致入射激波衰減較快。(4)上述計(jì)算結(jié)果表明:本文采用的數(shù)值方法、界面邊界條件處理是合適的,可以捕捉到激波和同類多個(gè)界面以及不同類多個(gè)界面相互作用的精細(xì)和復(fù)雜激波波系結(jié)構(gòu)。本文將GFM方法由氣/氣和氣/水界面推廣到氣/固界面和計(jì)算域邊界處理,為復(fù)雜計(jì)算域和運(yùn)動(dòng)邊界復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算提供了不同于坐標(biāo)變換的一條新途徑。
[Abstract]:This paper studies the interaction of motion shock wave and multi material interface. Assuming that gas and water are non viscous compressible media, the Euler equation is used to describe the flow field of compressible media. The GFM method is extended to the boundary conditions of the multi material interface and the computational domain, and the level-set method is used to trace gas / gas, gas / water and gas / solid interfaces and boundary condition treatment. At the same time, some properties of the virtual fluid and the local real fluid are considered. The gas / gas interface is defined by the OGFM method. The boundary conditions are defined by the revised rGFM method of the gas / water interface to improve the precision of the structure of the Riemann problem. The gas / solid interface is based on the GFM method to define the wall boundary conditions by the extrapolation parameter. The finite difference method is used to solve the Euler equation (hyperbolic conservation law equation), the interface level-set equation and the re initialization equation (Hamilton-Jacobi equation). In combination with the characteristic of the equation, the suitable five order WENO scheme is selected for spatial discretization and the three order TVD Runge-Kutta method is selected for time discretization. First, the examples in the literature are repeated in this paper. Such as Sod and Lax shock tube problems, the interface between the movement and deformation of the rotating and shear flow field, the expansion of the underwater bubble and the interaction between the shock wave and the single water / solid cylinder. The calculation results of pressure distribution and interface position are given. The results show that this paper is in accordance with the literature results, and the numerical method and calculation program are verified. Based on this, this paper is based on this method. The interaction of motion shock wave and double column water / solid column, single column water column, including He bubble, gas water and gas-solid interface is calculated. The density schlieren diagram and pressure time curve of the specified point at different time are given. The main conclusions are as follows: (1) in the air, the shock wave and the double column / solid cylinder phase are respectively in the air. The interaction problem, the results show that the shock wave between the water column and the surface of the solid cylinder has rules and Mach reflection, transmission and so on. The reflection shock wave in the adjacent interface will be further transmitted and reflected. The structure of the shock wave system is very complex. Besides the transmission shock of the water column, the reflection shock and its phase of the water column and the solid cylinder surface are reflected. The shock wave system structure of the adjacent water column / cylindrical reflection shock wave is almost the same. The reason is: the water phase is very strong for air density and inertia. In the short time of shock sweep through the column, the movement and deformation of the water column are slow, similar to the solid cylinder. The difference of air and water acoustic impedance makes the water column absorb air shock wave The energy is very small, and there is no energy absorption inside the solid cylinder. The two performances are consistent. (2) the interaction of air shock and different diameter, different number of single column water column. The results show that the larger the diameter of the column or the more the number of water column, that is, the smaller the porosity, the shock wave propagation process. The greater the hindrance, the greater the degree of disturbance, and the degree of disturbance is more intense, which leads to the emergence of "bubble shock" to adjacent water or solid cylinders, similar to the throat starting shock of the nozzle. (3) the interaction of air shock waves with He bubbles, water column and interbody cylinder shows that the shock wave produces different excitation waves at different material interfaces. The shock structure and strength of the surface of the water column and the solid cylinder are similar, but the shock wave structure near the He bubble interface is distinct, the interface deformation is intense and the shock wave attenuation is great. The reason is: water and He gas, the acoustic impedance of the air is different and the energy of the shock wave in the water is low. Therefore, the water and the solid cylindrical shock wave structure is close, but the He gas density is close. The difference of the acoustic impedance of He gas and air is small. The He bubble has a small inertia, and the shock effect of the shock wave produces larger deformation and obvious motion. The He bubble absorbs more energy, so the intensity of the transmission shock wave is larger and the incident shock wave attenuates faster. (4) the numerical results mentioned above show that the numerical method adopted in this paper is to deal with boundary conditions. It is suitable to capture the fine and complex excitation wave structure of the shock wave and the similar interfaces and the interaction of different kinds of interfaces. This paper extends the GFM method from gas / gas and gas / water interfaces to the gas / solid interface and the boundary processing of the computational domain, which provides different coordinates for complex computation domain and motion boundary complex flow calculation. A new way of changing.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O354.5

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本文編號：1845869