基于动态松弛方法的自由界面捕捉改进算法

谭志城; 邓潼彬; 明平剑

doi:10.11714/acta.snus.ZR20250110

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于动态松弛方法的自由界面捕捉改进算法

研究论文 | 更新时间：2026-01-19

- 基于动态松弛方法的自由界面捕捉改进算法
- Refined free-surface capturing algorithms based on the dynamic relaxation strategy
- 中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2026年65卷第1期页码：93-102
- 作者机构：
  
  中山大学中法核工程与技术学院，广东珠海 519082
- 作者简介：
  
  谭志城（1996年生），男；研究方向：计算流体力学；E-mail：tanzhch6@mail2.sysu.edu.cn
  明平剑（1980年生），男；研究方向：计算流体力学；E-mail：mingpj@mail.sysu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(52006249)
- DOI：10.11714/acta.snus.ZR20250110
  中图分类号： TL334
- 收稿：2025-06-19，
  
  修回：2025-08-06，
  
  录用：2025-08-06，
  
  网络首发：2026-01-02，
  
  纸质出版：2026-01-25
- 稿件说明：
移动端阅览
谭志城,邓潼彬,明平剑.基于动态松弛方法的自由界面捕捉改进算法[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2026,65(01):93-102.

TAN Zhicheng,DENG Tongbin,MING Pingjian.Refined free-surface capturing algorithms based on the dynamic relaxation strategy[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2026,65(01):93-102.
谭志城,邓潼彬,明平剑.基于动态松弛方法的自由界面捕捉改进算法[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2026,65(01):93-102. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20250110.

TAN Zhicheng,DENG Tongbin,MING Pingjian.Refined free-surface capturing algorithms based on the dynamic relaxation strategy[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2026,65(01):93-102. DOI： 10.11714/acta.snus.ZR20250110.

摘要

针对现有自由界面捕捉算法采用密度和流动异步求解导致的单元质量不守恒引发的数值发散问题，从理论上推导了主对角系数与单元质量不守恒的数值关系，构建了一种动态松弛求解策略。在质量不守恒的单元动态地更新松弛系数以保证动量方程对角占优，避免了求解发散；结合隐式高分辨率面心密度插值方法的选取，构造了改进的自由界面捕捉算法。通过经典的溃坝自由界面捕捉算例，验证了改进算法的性能。结果表明，动态松弛策略可以有效提高数值鲁棒性和计算效率，隐式高分辨率面心物性插值策略则可以有效降低数值耗散，且在大密度比和大库朗特数场景下性能改进效果更显著。

Abstract

The numerical blow-up caused by mass non-conservation in existing free-interface capturing algorithms stems from asynchronous density-flow solving. To overcome this problem，the numerical relationship is derived between local mass non-conservation and the diagonally dominance. Based on this derivation， a dynamic relaxation solution strategy is constructed， where the relaxation coefficient is dynamically updated in mass-non-conserved cells，to ensure the diagonal dominance of the momentum equation.Combined with the selection of an implicit high-resolution face-centered density interpolation method，a refined free-surface capturing algorithm is proposed.The performance of the refined algorithm is validated through classical dam-break free-surface flow test cases.The results demonstrate that the dynamic relaxation strategy effectively enhances numerical robustness and computational efficiency，while the implicit face-centered density interpolation method significantly reduces numerical diffusion，with particularly notable performance improvements in scenarios involving large density ratios and Courant numbers.

关键词

Keywords

references

赵海洋， 2021 . 柴油机活塞油腔内气液两相振荡流动及传热数值仿真研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学 .

张帝， 2015 . 高精度有限体积格式及新型VOF自由界面捕捉算法［D］. 北京：清华大学 .

CAO Y ， ZHU Q ， ZHOU L ， 2016 . Numerical simulation of three-dimensional dam-break flow with an improved VOF-SIMPLE algorithm ［J］. J Hydrodyn ， 28 （ 1 ）： 146 - 155 .

CHEN Y ， MING P ， YU G ， et al ， 2024 . Sloshing damping assessment and structural dynamic analysis of perforated structures for heavy liquid metal under seismic excitation ［J］. Ann Nucl Energy ， 195 ： 110178 .

DARWISH M ， MOUKALLED F ， 2006 . Convective schemes for capturing interfaces of free-surface flows on unstructured grids ［J］. Numer Heat Transf Part B Fundam ， 49 （ 1 ）： 19 - 42 .

DENNER F ， 2013 . Balanced-force two-phase flow modelling on unstructured and adaptive meshes ［D］. London，UK ： Imperial College London .

FERZIGER J H ， PERIC M ， 2001 . Computational methods for fluid dynamics ［M］. Berlin ： Springer .

HEYNS J A ， MALAN A G ， HARMS T M ， et al ， 2013 . Development of a compressive surface capturing formulation for modelling free-surface flow by using the volume-of-fluid approach ［J］. Int J Numer Meth Fluids ， 71 （ 6 ）： 788 - 804 .

LÖRSTAD D ， FUCHS L ， 2004 . High-order surface tension VOF-model for 3D bubble flows with high density ratio ［J］. J Comput Phys ， 200 （ 1 ）： 153 - 176 .

MOUKALLED F ， ANGANI L ， DARWISH M ， 2016 . The finite volume method in computational fluid dynamics：An advanced introduction with OpenFOAM® and Matlab ［M］. Fluid Mechanics and Its Applications . Cham ： Springer .

MULBAH C ， KANG C ， MAO N ， et al ， 2022 . A review of VOF methods for simulating bubble dynamics ［J］. Prog Nucl Energ ， 154 ： 104478 .

PATANKAR S V ， SPALDING D B ， 1972 . A calculation procedure for heat， mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows ［J］. Int J Heat Mass Tran ， 15 （ 10 ）： 1787 - 1806 .

UBBINK O ， ISSA R I ， 1999 . A method for capturing sharp fluid interfaces on arbitrary meshes ［J］. J Comput Phys ； 153 （ 1 ）： 26 - 50 .

YU C H ， WEN H L ， GU Z H ， et al ， 2019 . Numerical simulation of dam-break flow impacting a stationary obstacle by a CLSVOF/IB method ［J］. Commun Nonlinear Sci Numer Simul ， 79 ： 104934 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据