基于RBF Level Set的多体切割网格法

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浸入边界方法在处理多体、结构大变形及大幅运动的水动力学问题中具有独特的优势,切割网格法作为浸入边界法的延伸与发展,近些年得到广泛的关注。  本文针对切割网格法中动界面的构造技术,将RBF Level Set方法(简称RBF-LS方法)引入到切割网格方法中,该方法采用径向基函数(RBF)近似Level Set SDF(Signed Distance Function,简称SDF),无需对控制方程进行空间离散,维持了Level Set方法的质量守恒,避免了重新初始化过程,提高了程序效率,同时RBF-LS方法还能够方便、快速地识别背景网格场点属性。  文中还通过分析对比RBF-LS控制方程驱动界面运动过程中产生的误差,提出了一种改进的RBF-LS方法,该方法能够保证Level Set SDF曲面的光滑,消除物面运动过程中因SDF曲面尖点而产生的误差,从而避免尖点误差造成的物面变形,然后采用局部配点网格将RBF-LS物面描述方法结合到切割网格方法中,通过径向基函数区域插值的方法实现了配点网格、背景网格以及物面间的数据交换,并根据RBF-LS方法的特性,提出了相应的多体切割网格参数计算方法和物面快速捕捉方法,形成了新颖的RBF-LS多体切割网格法。  全文共分六章,内容主要包括:  1.推导了基于Gauss基函数与MQ基函数的RBF-LS方法的理论公式,分析了两种RBF-LS方法在推进界面运动过程中产生的误差,认为MQ基函数构造的RBF-LS方法更有优势,进而对基于MQ基函数的RBF-LS方法配点网格进行了研究分析,提出了改进SDF的RBF-LS方法;  2.阐述了RBF-LS方法驱动界面运动在切割网格法中的实现方法,包括配点网格域的选取与更新方法、不同网格间的数据交换方法、基于RBF-LS的切割网格参数计算方法,以及物面捕捉方法;  3.将RBF-LS嵌入自主开发CFD平台,采用经典算例验证了本文RBF-LS多体切割网格法的可靠性和有效性,并给出了复杂几何形状多体入水、任意摇荡的耦合运动算例及分析。  本文所提出的改进SDF RBF-LS多体切割网格法法是切割网格法的发展,可有效模拟含复杂多体动界面的水动力问题,同时还可进一步发展,用于模拟流固耦合问题中复杂多体边界的运动与变形耦合问题,以及包含物体破裂分离等的复杂水动力问题。
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