Level set方法在两相不可压缩流体分界面动力学中的应用

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  两相流体动态边界在许多科学应用中都发挥着重要的作用[1],例如LOX/H2火箭发动机。动态边界决定了原子化过程,比如液体喷射层打破变成小水滴,这个动态过程可以分为两个连续的阶段,初始阶段和随后的原子化阶段。第一个阶段是初始原子化过程,把液体喷射层变成小的结构,接下来的第二个过程是把这些小结构打破成更小的水滴。我们考虑第一个过程,描述了这个过程中边界的变化,第二个过程由于这些小的水滴体积小于我们的网格大小,不做讨论。  M.Herrman在[1]中讨论了一个涡流层问题。边界两边的两种无粘性流体有相同密度,在边界两边速度不连续,在水平方向上有周期性边界条件,作者对速度在切线方向上的跳跃在动态边界上求积分,得到流体内任意一点的速度,再用level-set方法追踪动态边界,得到很好的结果。在[2]中M.Herrman将这种方法拓展到三维空间中。  Level-set方法是一种描述动态隐式边界的方法,这种方法的重要思想是用Hamilton-Jacobi函数逼近描述隐式边界的运动方程。如果知道边界的位置,可以求出各个点的符号距离函数的值,再根据具体的问题求出边界上的速度。根据法方向上速度相同的原则,把速度扩展到边界周围的点上去,再用level-set方程求出下一时刻各点的值。为了防止符号距离函数变形,要行重行初始化的过程。Level-set方法在计算过程中用到很多Hamilton-Jacobi方程。在离散计算(1)的时候用到迎风格式,为了稳定性,离散格式要满足Courant-Friedreichs-Lewy条件。如果要求更高的精度,可以用ENO或WENO格式结合TVD Runge-Kutta方法。  本文讨论了[1]中涡流层问题,边界两边是不可压缩流体,密度不同,有不同粘度,为了描述动态边界的速度,用到了N-S方程,在计算N-S方程的时候用到投影
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