运动激波对氦气泡变形过程影响的仿真研究

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1、第42卷第1期2012年1月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．1Jan．2012运动激波对氦气泡变形过程影响的仿真研究杨强，周进，吴海燕，王成龙(国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，湖南长沙410073)摘要：使用水平集方法(LevelSetMethod)研究超声速气流中氦气泡的变形问题。通过比较全局重构和局部重构两种方法重新初始化符号距离函数(SDF)的效果，发现局部重构更省时，所得结果与实验结果更吻合。而全局重构存在控制误差的优化问题。在此基础上分析了激波强度和角度对气泡变形过程的影响，发现激

2、波强度越大，气泡在相同的位移务件下变形得越明显，并且在相同激渡强度下，斜激渡对气泡界面变形的作用效果更为明显。关键词：界面捕捉；LevelSet；虚拟流体；激波中图分类号：V21l文献标识码：A文章编号：1671．654X(2012)01．0015．05SimulationonProcessofMovingShockwavesEffectingInterfaceChangingofaHeliumBubbleYANGQiang，ZHOUJin，wUHai·yan，WANGCheng—long(ScienceandTechnologyonScramjetLaborato

3、ry，NationalUnivemityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)Abstract：ThispaperusesLevelSetmethodtostudytheproblemoftheinterfacechan6ngofaheliumbubbleinasupersonicflowfield．Bycomparingtheeffectofglobalreconstructionmethodandlocalrecon-structionmethodinreinitializingtheSignDistanceFunct

4、ion(SDF)，wefindlocalreconstructionmethodcostslesscomputingtime，andcangetmoresatisfiedresultsagreeingwiththoseofexperiments，whileglobalreconstructionmustdealwiththeproblemoftheoptimizationofcontrolerror．Basingonpreviouswork，factorsoftheintensityandtheangleofshockwavesareanalyzedfortheef

5、fectontheinterfacechan-季ngofabubble，anditisfoundthattheinterfacechangesmoreobviouslywiththeincreaseoftheintensi—tyofshockwaves．Moreover，undersimilarintensityofshockwaves，theeffectofanobliqueshockwaveontheinterfacechan舀ngofabubbleisbetterthanthatofanormalshockwave．Keywords：interfacecapt

6、uring；levelset；ghostfluid；shockwave引言界面模拟是模拟超燃冲压发动机中液体燃料射流破碎的关键。目前针对此类问题发展起来的方法有MAC方法⋯、VOF方法嵋J、Front．Tracking方法旧1和LevelSet(LS)方法HJ。其中，LS方法通过引入符号距离函数(SignDistanceFunction)来描述界面的演化，物理意义明确，能够描述复杂的界面拓扑变化，且易于编程实现，因而在工程上得到广泛采用。但是Ls方法存在体积守恒性差的缺点，即界面位置存在偏移和失真。针对这一问题，目前学者有两种解决方案：第一种是将LS方法与守恒性好的

7、界面追踪方法耦合，如将15和VOF结合的CLSVOF(CoupleLevelSetandVoF)p1方法。第二种方案认为造成偏差的原因是数值算法中数据间的互动和界面信息的不对称【61，所以可以采用不同的重构方法，如直接法、程差方程显示方法、偏微分方程隐式迭代法等⋯。本文用氦气泡在激波流中的变形过程作为算例，比较了全局重构和局部重构的优劣。Fedkiw等人于1999年提出的虚拟流体技术(GhostFluidMethod)实现了对包含两种不同性质流体的流场的模拟，取得了较好的效果旧J。然而，传统的GFM方法在处理爆燃、气一液强间断界面问题中不能得到满意的结果，为此“