水平集方法数值模拟单液滴的生成过程

液滴生成的动力学过程和机理，对溶剂萃取、喷墨打印机设计、飞行嚣保护等有重要意义。虽然已有很多相关的实验、理论和计算研究，但对涉及拓扑变形界面的该问题研究仍富有挑战性，常用的有限元等模拟方法还有待改进。1988年提出的水平集（Level set）方法，可以比较简方便地模拟多相变形界面问题。已成功用于多相流、结晶、浇铸、模式识别等过程的计算。作者在对水平集方法进行改进并用于相间传质模拟的基础上，本文数值模拟了单个液滴在毛细管口的生长和脱离过程。假设流体均为不可压缩液体或气体作层流流动。采用二维轴对称欧拉坐标和交错网格，利用控制客积法和SIMPLE算法离散求解藕合水平集函数的运动方程组。水平集函数的发展方程和重新初始化方程的空间与时间离散格式，分别采用5阶WENO（Weighted essentially nonoscillmory）和3阶TVD（Total variation diminishing）Runge-Kutta格式。初步计算了不同参数的单液滴在气体或另一不互溶液体中的生成过程，液滴的拓扑形状、两相流场和液滴大小与实验或文献报道的模拟结果基本吻合。为今后拓展模拟三维空间的不稳定运动液滴或气泡生成过程的流动和传递奠定了基础。     

应用改进粒子水平集法对液滴碰撞的数值研究

为了准确捕捉自由面运动,求解液滴的碰撞过程,针对传统粒子水平集法不适用于待修正网格包含在虚拟粒子内部的情况,在充分分析以上问题的基础上提出一种新的局部距离函数定义方式.经测试问题验证,改进方法可降低由于粒子沿非界面法线方向运动对界面修正的干扰,显著提高界面捕捉精度及守恒性.应用改进粒子水平集法对二维液体碰撞过程进行数值模拟,计算结果显示:相对速度是正碰过程是否发生分离的决定因素,空气中两个直径为3mm的正碰水滴的临界韦伯数为13.79;偏心程度和相对速度共同影响偏心碰撞的液滴形态;给定相对速度时存在两个临界偏心程度,偏心程度介于临界值之间时碰撞后不发生分离.     

单液滴撞击水平冷板面的模拟研究

针对喷雾冷冻干燥中液滴在设备壁面的冷冻沉积问题,在前期单液滴撞击水平放置冷板面的实验基础上,建立了单液滴与冷板面撞击的模型,利用水平集方法与固化模型相结合,模拟了蒸馏水液滴(直径为3.2,mm,温度为293,K)分别从100、250、500,mm高度撞击不锈钢板面(温度为268,K和253,K)的过程.模拟的最大铺展直径同实验对比,误差小于10%,证明该模型可适用于低黏度、低密度的单液滴撞击水平冷板面的情况.     

液滴溅落的数值模拟

将二阶投影方法和水平集技巧相结合求解二维Navier-Stokes方程,以模拟水溅落的过程。与其他方法不同,本方法不需额外的技巧,就能自然地处理自由界面出现的尖点,角点等。数值计算过程中无重新初始化步骤。     

T形微流控芯片液滴成形与细胞封装的理论

连续相与离散相的速度取值是影响T形微流控芯片产生液滴的关键因素.细胞在T形微流通道的液滴包裹和细胞封装成为基因测序的研究热点,因此本文结合水平集与流体动力学方法,分析了液滴尺寸与红细胞封装的动态输运问题.在离散相和连续相通道宽度分别为50μm和80μm的T形微流控芯片内部,以水和正十二烷油为目标溶液进行计算仿真.计算结果表明水溶液初始速度0.012m/s,表面张力5mN/m,接触角165°时,毛细数C_a从0.008增大至0.1,会使液滴的尺寸降低,液滴成形频率加快.同时,黏滞力大于两相流表面张力会导致直径5μm红细胞的封装效率变低,使其紧贴通道墙壁作直线运动.     

基于深度学习和水平集的彩色图像分割方法

图像分割作为图像的分析与理解的基础环节,受到了诸多学者的广泛关注。本文结合了基于全卷积神经网络的语义分割技术与基于水平集方法的图像分割技术,使用DeepLab V2与 Distance Regularized Level Set Evolution(DRLSE)模型对一般的彩色图像进行分割。此外,本文还在 DRLSE 模型中加入了一个新的形状能量项,提高了零水平集的演化速度。数值实验结果验证了本文方法的有效性。     

基于水平集方法的多运动目标分割

给出了一种对光照变化等实际环境中干扰不敏感的基于水平集和背景减的运动目标检测与分割方法。首先建立了当前帧图像与背景参考帧图像间的纹理差，并将其与灰度差相结合构成差图像；然后，分析了纹理特征，并采用适当措施减小由场景中杂乱运动产生的不利影响，从而实现运动目标的鲁棒检测；最后采用了基于区域的水平集方法，将多个信息有机地结合在一起，实现对多个刚体或非刚体运动目标的分割。实际采集序列图的仿真实验验证了该方法的有效性。     

脉冲间隔对喷射液滴大小的分析研究

实现对微液滴大小的精确操控具有重要意义,而喷射脉冲间隔对液滴体积有重要影响.首先,通过水平集方法建立微液滴喷射过程的数学模型.其次,使用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对微液滴喷射过程进行数值模拟.分析微液滴喷射过程,并拟合数据得到液滴最终体积与脉冲间隔关系为正相关.该结果有利于实现对液滴体积的精...     

基于液滴微流控芯片的单细胞分离

开发基于静电场力和集成微电极的微液滴操控技术以实现单细胞的分离.结合微流控技术的发展,设计并制作了以有机聚合物PDMS( polydinethylsiloxane)为材料的具有流聚焦结构的芯片,利用流聚焦结构的芯片,通过改变分散相和连续相的流速,制备包裹着悬浮癌细胞( HCT116)的海藻酸钠凝胶溶液微液滴,并对其包裹细胞数目进行统计分析,其中包裹单细胞的微液滴少于总液滴数的10％.受到液滴自带电现象的启发,通过集成微电极到微流控芯片中,利用电压脉冲产生静电场力,实现了单颗单细胞微液滴的电分离和富集.     

结构拓扑优化中水平集方法的快速初始化研究

水平集方法是求解结构拓扑优化问题中的一种有效方法,该方法主要缺陷是每隔一定时间需要重新初始化水平集函数.因此,本文提出了一种基于偏微分方程和快速步进法的初始化算法.所提出的算法能够区分任意形状的闭合曲线或曲面的内外部,改进了以往初始化算法的数值不稳定缺陷,从而使水平集方法的计算效率和稳定性有了显著的提高.最后,通过算例验证了该算法的有效性.     

聚合物熔体前沿追踪的Level set方法研究

基于广义Hele—Shaw流动模型,对熔体流动方程求解。采用有限差分法求解压力场与速度场,运用重新初始化的Level set方法实现了流体运动前沿的追踪。     

基于IFSM改进水平软集的群决策方法

研究了在直觉模糊软矩阵环境下改进水平软集的群决策方法.首先利用直觉模糊软矩阵给出了在专家权重未知情况下的集成算法,并对λmid（E）-水平软集进行改进,提出了λnew（E）-水平软集;同时对λmed（E）-水平软集进行改进,提出了三均值水平软集.然后利用水平软集计算各对象的选择值,得出最优决策.最后,通过实例验证了决策方法的可行性和合理性.     

水平集方法中曲线跟踪算法的改进

水平集算法是一种解决曲线演化问题的有效方法，它能够解决一般方法难以处理的拓扑结构变化问题。在水平集算法中，跟踪曲线经过一步演化后的当前位置是一个很重要的步骤，它直接关系到下一次演化计算的精确程度，以往采用的跟踪算法一般是步进方格（Marching Square）算法，这种算法中存在计算重复问题。本文根据图像中曲线跟踪的特点，改进了步进方格算法，减少了其中的重复计算。实验表明，这种改进的算法具有简单实用的特点。     

基于变分水平集图像分割的视频烟雾检测方法

为及时判断火灾发生情况,利于灭火工作,研究了火灾早期产生烟雾的情况下,通过固定监视探头捕捉 到的影像视频,针对视频中的火情烟雾进行检测,结合计算机视频检测技术的光流法和帧差法获得视频中烟雾 运动的区域,基于某一时刻摄像机不动的情况下得到两帧连续的图像并检测视频中的运动区域,提出了一种不 需初始化的变分水平集算法。利用该算法对烟雾的视频进行分割,将运动区域从背景中分割出来,对烟雾进行 检测分析。从而使通过烟雾判断火情更精确,检测结果更实时,提高了视频指挥灭火工作的效率。     

颜色恒常性的距离正则化水平集彩色图像分割

引入颜色恒常性原理用于区分自然彩色图像中的差分结构,并结合距离正则化水平集算法,对具高光和阴影的自然彩色图像进行分割。实验结果表明,该算法能够正确有效地分割出图像目标,而未引入颜色恒常性原理的水平集算法则得到错误的图像分割结果。     

面向车身结构轻量化设计的水平集拓扑优化

提出了一种基于水平集拓扑优化的车身结构轻量化研究方法,该方法非常适合于处理车身结构设计中大量存在的多孔连续性结构体的拓扑优化.运用构造的基于水平集的数值方法,对车身近似二维的典型结构件发动机罩内板进行拓扑优化.结果表明,基于水平集的拓扑优化方法应用于车身结构轻量化研究是可行和有效的.