Level Set方法的研究与应用

本文把与四阶CWENO格式、四阶NCE（Natural Continuous Extensions）Runge-Kutta方法结合之后的Level Set方法应用到一维、二维双曲守恒律标量方程的求解。将所得的数值解与高阶激波捕捉方法所得的数值解进行比较,说明了Level Set方法能很好的处理标量双曲守恒律标量方程的激波追踪问题。     

R-M界面不稳定性Level Set方法

在界面不稳定性的数值研究中最核心的是界面的精确描述。采用SCB格式，通过设置一个Level Set距离函数来标志界面位置，在界面两侧采用Ghost Fluid方法解Euler方程，能较准确地跟踪界面的发展，且在界面附近不出现非物理振荡。     

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方法在自由面流动数值模拟中的应用

采用建立在固定的交错网格上隐式追踪界面的Level Set方法来计算有自由面的流动问题．在计算中求解了两种互不相溶流体的N-S方程．所参考的算例是瞬时溃坝问题，计算结果和实验观测基本符合，表明Level Set方法在液体自由面数值模拟中具有一定的适用性．     

Level Set方法在非结构网格上的应用

采用基于非结构网格的Level Set方法对多介质流动问题进行数值模拟.采用有限体积法求解Euler方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartern,Lax,van Leer,Contact)近似Riemann解方法.Level Set方程也采用有限体积法求解,采用Lax-Friedchs方法计算通量,通过窄带(Narrow Band)方法来减少计算量,重新初始化采用Fast Marching Method.界面的处理采用Ghost Fluid方法.Runge-Kutta显式时间推进,时间、空间都是二阶精度.对SOD激波管问题进行数值模拟,其结果和精确解相吻合;对空气/氦气泡相互作用问题进行模拟,取得较好的结果.     

基于Level Set方法的Visible Human Being虚拟人图像处理

提出了将基于区域的VectorConfidenceConnected的低级分割方法和基于边界的LevelSet高级分割方法相组合的分割方法,使得边界的平滑性得到了保持;既有效地结合了医学专家的医学背景知识,又提高了分割处理的速度,很好的处理了医学图像中常见的拓扑结构,实验结果表明该方法切实可行。     

基于Level Set方法的低对比度医学图像分割

基于Level Set方法,提出了一种应用于对低对比度医学图像进行分割的改进的FastMarching方法.该方法结合演化曲线在演化过程中平均能量的变化特性,重新定义Fast Marching算法的停止准则,从而提高了算法的鲁棒性和自动性.实验结果表明,所提出算法的分割效果良好.     

多物质流体动力学界面追踪的Particle Level Set方法

为验证Particl Level Set方法界面处理的高精度,将Particle Level Set方法与流体动力学控制方程进行了耦合,用5阶WENO格式进行空间离散,采用3阶TVD-Ringe-Kutta方法离散时间导数,并用C++语言编制了程序. 运用该程序对激波与气泡相互作用问题进行了数值模拟. 与不同网格尺寸下的Level Set方法对比,结果表明Particle Level Set方法比Level Set方法界面处理精度更高.     

基于ITK实现Canny边缘Level Set图像分割方法

根据医学图像的特点,在医学图像分割与配准算法研发平台ITK基础上,结合了Canny边缘检测和Level Set方法实现了对医学图像的分割。实验结果中,边界的平滑性得到了保持,医学图像中常见的解剖结构和拓扑结构得到了很好的处理,同时也提高了算法的鲁棒性。     

Ghost Fluid方法在可压缩多介质流动中的应用

在对可压多介质流动进行数值模拟时,界面两边流体状态方程不同会给计算带来很大麻烦,该文采用Ghost Fluid方法(GFM)成功地解决了这一问题.利用间断有限元Galerkin方法和Level Set方法,对2种不同比热比介质激波管问题进行了模拟,其数值结果和精确解非常吻合;对气体/水激波管、空气/氦气泡相互作用、空气/R22相互作用等问题进行了模拟,其结果与相关文献的结果一致,表明利用该方法进行可压缩多介质流动数值模拟是可行的.     

基于Level Set方法的微观窜流特征研究

达西定律渗流理论以对油水运移规律的研究仍停留在宏观尺度上,很多微观机理无法考虑,窜流形成时的微观孔道中油水运移特征未能体现清楚。本文建立二维微观孔隙模型,引入Level Set方法对油水两相界面进行追踪,采用有限元方法对两相数值模型进行求解。在玻璃刻蚀平面驱替实验的基础上,建立并联毛细管束模型。通过模拟不同驱替压差、润湿性以及界面张力等情况下的流动状态,结合二维孔隙数值模拟结果,给出了发生微观窜流的临界条件:在入口压力恒定时,水驱油速度逐渐变大;驱替压力增大时,大孔道中的两相流速增加比例更大;油水两相界面张力越大,壁面越亲油,越容易发生微观窜流。     

界面模拟方法在气泡运动领域的应用述评

介绍了几种界面模拟方法如边界积分方法、锋面跟踪法、VOF方法以及水平集方法的基本思想.对这几种方法在模拟气泡运动领域取得的成果进行了总结:边界积分方法在模拟三维界面流动方面存在局限性;锋面跟踪法在模拟大量气泡动力学特性方面取得了一定的进展,但未对气泡在上升过程中的破裂及融合现象加以考虑;VOF方法及水平集方法则以计算量小、模拟精度高而越来越受到广泛的关注.     

运动界面追踪方法的研究现状及进展

本文对求解两相流动与传热问题的运动界面追踪方法进行了详细介绍,分析了VOF方法、Level Set方法及VOF与Level Set的复合方法的研究现状及发展趋势。本文的研究工作对运动界面追踪方法的发展起到了方向性的指导作用。     

材料界面运动的快速稳健的Level Set方法研究

Level Set方法是用于描述曲线或曲面演化过程的有效方法。自Osher和Setian提出Level Set方法以来。该方法已经在医学图像处理、自然现象的模拟仿真以及计算机视觉、拓扑优化工程等很多领域都得到了广泛的应用。Level Set方法区别于其它曲线演化方法的最大优势在于它的稳定性以及拓扑无关性,可以很好地处理界面的断裂与融合,但它最大的一个缺点就是其计算量太大。为此,本文给出了一种用于描述材料界面演化的窄带Level Set方法,将计算限制在当前界面的一个邻近区域内,从而大大地降低了计算工作量。通过实际算例对比,验证了本文方法的高效性与稳健性。     

多物质二维流体动力学程序MMIC的理论基础及其应用研究

针对多物质弹塑性流体动力学问题提出了一种Euler型有限差分算法。基于该算法,用面向对象的C 语言编译了MMIC-2D计算程序,开发了与之相配套的前处理软件MESH-2D、后处理可视化软件VISC-2D,并对球形装药土中爆炸这类典型的爆炸问题进行了二维数值模拟。数值模拟结果与实验结果相吻合,表明文中所提出的算法和计算程序合理、有效,可以用于进行工程数值仿真计算。     

线性分段连续型随机延迟微分方程Euler方法的收敛性

研究线性分段连续型随机延迟微分方程的数值解的收敛性,采用的是Euler方法,在处理线性项的矩阵时,证明的方法主要应用了矩阵欧几里得范数,从而达到要研究线性分段连续型随机延迟微分方程数值解的收敛性的目的,这也是本文解决问题的关键。     

Euler方法中的不分裂输运算法

为解决用Euler方法求解多种介质的流体力学问题时,物质的输运中维数分裂算法容易出现重复或遗漏的问题,以Youngs界面重构技术为基础,输运步中采用维数不分裂算法,除了考虑相邻4个网格的输运外,同时还考虑斜对角网格的输运计算,有效地解决了消除重复或遗漏输运的问题. 论证了不分裂算法的合理性,给出了向相邻8个网格输运的所有可能分配量的表达式. 数值模拟结果表明,不分裂输运算法的精度有所提高.     

弹体侵彻混凝土的三维数值模拟研究

随着技术的发展,弹体侵彻速度已经由低速侵彻(侵彻速度<900 m/s)向高速侵彻(1 200 m/s<侵彻速度<1 700 m/s)发展. 这将导致弹体的侵彻性能发生本质性变化,严重影响弹体在混凝土中的运动轨迹,甚至会导致弹体的破坏与失效. 侵彻过程中弹体所受到的压力极高,并且会产生大变形,对该过程进行全物理场的数值模拟需要处理大变形、多物质界面以及各类强间断的问题. 针对三维冲击问题数值模拟的困难,课题组设计了三维爆炸与冲击问题高性能仿真软件(Explosion-3D). 采用该软件对弹体高速侵彻混凝土进行数值模拟研究,弹体材料选用普通的45#钢,研究其在高速侵彻下的弹体形状的变化情况,采用对混合网格的处理来描述弹体的磨损. 数值模拟结果表明,对于45#钢这类普通材料,当其高速(1 400 m/s)侵彻混凝土时,弹体头部将出现严重变化且侵彻深度急剧下降.     

桩土动力相互作用简化方法对比研究

对于桩土动力相互作用的研究,如果考虑其共同作用会因为边界条件、接触关系等因素确定的不恰当而造成很大误差,因此在实际运用中往往采用简化计算方法.详细介绍了目前工程中常用的简化分析模型.为了对比各种不同的简化方法计算精度,选取三种场地类型和两种地震波,组成6种工况分析比较8种常用的桩土动力相互作用简化分析模型,研究桩的地震响应在相同场地不同地震作用下及相同地震作用下不同场地类型中的变化规律.最后总结了各简化分析模型的合理性和适用工况.     

改进的强隐式格式及其在三维Euler与N-S方程中的应用

将 Ｓｔｏｎｅ强隐式格式由单个方程推广到方程组，并用于三维高速可压缩流的 Ｅｕｌｅｒ和Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组的数值计算。为较好地捕捉激波、提高激波的分辨率，对离散后方程右端项的数值通量进行了改进，采用了ＮＮＤ格式的数值通量。典型三维算例表明，本格式具有高效率、高分辨率的特点，流场与实验数据较接近。