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。     

引入水平集带的参数化水平集结构拓扑优化方法

传统水平集方法通过在初始设计中布置一定数量的孔洞来克服其不能自动开孔的缺陷,但孔洞布置方式的差异造成了强烈的初始设计依赖性,改进的参数化水平集方法可以自动开孔,但初始设计对优化结果仍存在一定的影响。水平集带方法可以将水平集方法与变密度法相结合,在零水平集附近引入一个水平集带区域,区域内的材料密度通过水平集函数进行插值。在迭代过程中通过减小水平集带宽度可以逐渐去除中间密度材料,使结构最终收敛到 0-1 解。引入水平集带可以通过结合变密度法思想提高目标函数和约束函数在拓扑变化中的连续性,从而减轻初始设计对优化结果的影响。通过柔顺度最小化问题验证了该方法可以有效减轻优化结果的初始设计依赖性,并且能够得到更优的目标函数值。此外还探究了水平集带带宽减小速度对优化结果的影响,并将该方法拓展到不规则设计域优化问题中,得到了合理的优化结果。     

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。     

基于水平集带方法的柔顺机构拓扑优化研究

水平集方法在拓扑优化问题中采用隐式函数的零水平集描述结构边界,由于可以方便的表达结构拓扑变化并使结构边界保持清晰和光滑的特性,水平集方法很快成为拓扑优化领域的重要方法之一。但是由于水平集方法在优化过程中存在拓扑变化的不连续性,容易出现数值不稳定、初始设计依赖性等问题。近年来水平集带方法的提出可以有效改善这一现象,成为提升水平集方法拓扑表达能力的重要手段。本文将水平集带引入到参数化水平集拓扑优化方法中,并对其在柔顺机构优化设计问题中的应用开展研究。水平集带方法在水平集函数的零水平集附近引入水平集带区域,采用水平集函数插值可以得到带宽范围内[0,1]区间连续分布的材料密度,并在优化过程中通过逐渐减小水平集带的宽度使带宽范围内的材料密度逐渐收敛至0-1分布。该方法结合了变密度法的优势,使优化过程中材料密度变化保持连续,可以提升参数化水平集方法的稳定性,得到更优的目标函数值,并有效改善水平集方法的初始设计依赖性问题。本文通过多个柔顺机构的拓扑优化算例从不同初始设计、不规则设计域及几何非线性等多方面分析和验证了该方法的有效性,计算结果表明该方法对面向实际工程的复杂设计问题具有较好的适用性。     

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。     

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...     

基于分段常值水平集的参数识别算法

研究了椭圆方程不连续参数的识别算法.根据原有算法计算效率较低、抗噪性较差、可识别区域数较少的不足,本文基于分段常值水平集方法,根据水平集函数和优化过程的特点,修正原有Uzawa型算法中的带有总变差（TV）正则化的极小化模型和对常值向量的极小化模型,并且结合Barzilai-Borwein方法和预处理共轭梯度算法（PCG）构造一种新的参数识别算法格式.数值实验结果显示,新算法具有计算时间短、精度高、抗噪性强的优点,并且可以识别较复杂的几何区域.     

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。     

2019年液滴行为控制研究热点回眸

液滴行为控制是多学科融合的研究领域,对生命科学、材料科学、分析化学和工程热管理等学科的发展都具有重要意义。2019年,液滴行为控制研究在固液碰撞、精准操纵等方面取得了重要进展。回顾了2019年液滴行为控制领域的研究热点和代表性成果,包括固液碰撞行为精准调控、液滴可编程化输运和新型数字微流控技术的发展等。     

水平集方法及其在柔顺机构拓扑优化中的应用

由于具有跟踪拓扑结构变化、优化边界清晰光滑等优点,水平集方法作为一种新颖的机构拓扑优化方法近来受到了重视.文中首先讨论了水平集方法中Hamilton -J acobi 方程的求解、水平集函数的重新初始化、速度场扩展等出现的问题.在此基础上,给出了应用逆风差分格式求解Hamilton-Jacobi 方程的数值方法,并采用改进的符号函数有效解决了数值的不稳定问题,提出的快速扫描法可以对速度场进行有效扩展.最后,建立了基于水平集方法的柔顺机构拓扑优化模型,利用水平集法对反位移柔顺机构进行了拓扑优化设计.     

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.     

基于C-V方法改进的红外图像自动分割

基于简化的Mumford-Shah水平集图像分割模型,Chan-Vese提出了不依赖于图像边缘的水平集图像分割算法(C-V方法).但是该方法分割参数难以确定,对于具有非均匀灰度背景的红外目标图像常常分割失败.针对这一问题给出了改进的拟合能量模型,新模型兼顾到了目标的同质性信息与其所占面积比例的关系.基于该模型的水平集图像分割方法自适应于灰度起伏的背景,可以较为理想地分割出与背景灰度差异不太明显的目标,对小目标也具有很强的适应性.实验结果表明,在固定水平集分割参数的情况下,新方法对于不同类型、不同背景的红外图像具有了良好的适应性.     

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。