水平集法中气泡体积守恒问题请教

soliton

我最近在做二维的气泡上浮问题。发现，对于气泡有破碎的情况，气泡的面积会越来越小(如下面的图)。后处理中，Post processing→Subdomain Integrate，选下面的液体域和初始气泡两个域，在Expression中输入（phi>=0.5）,得到的气泡面积急剧减小。但如果采用后处理程序中那个缺省的，即“Predifined quantities: volume fraction of fluid 2", "expression: phi"，气泡的面积却保持不变。（在开始那一段几乎为直线）

这两者是积分变量不同。似乎第二个中，气泡的“质量”（面积）是不变的，也就是说，我采用phi>=0.5来判断气-液界面，一定忽略了phi<0.5中也有气体的“质量”啊。

同时，在气泡（看起来）没有破碎时，做上述过程，质量的波动基本上在可以接受的范围内。

要确认的是，在帖子http://forum.simwe.com/thread-947331-1-1.html 中水加火花指出，“level set在physics-properties中，可以选择质量守恒和不守恒的！”我的计算都是选择“守恒”的来进行的。

我想请教大家的问题是：如何改进参数设计和算法，使气泡的体积或者质量尽可能地保证守恒？

soliton

2/3两个图贴的顺序有点问题。

由于那个气泡上浮的动画比较大，没能贴上来。


大侠abubob在这个帖子（http://forum.simwe.com/thread-936078-1-6.html）中提到：“初始条件中，界面过渡区的厚度帮助文件说取最大网格的一半，重构参数取最大速度。但它给的几个例子中，有些并不是遵循这个，我也正在学习中，如果这个参数设置不合理，一般都不会收敛（我尝试改了参数）。大家是怎么看这个问题的呢？”

过渡区按照我不成熟的理解，是为了防止有些参数在界面上有“跃迁”而设置的的一个光滑函数，以保证计算时的收敛性。而重构参数到底是什么物理意义？似乎是每一步计算结束后，按照phi的值重新寻找界面，并定义。那它的值决定什么，在计算中是怎么起作用的？


我感觉上述质量不守恒的问题和过渡区的厚度有点关系。所谓过渡区，直觉认为是气体和液体“相互扩散”的那一层。这一层内0<phi<1，我们取phi=0.5作为界面，应该是对的。

但从计算结果观察，气泡浮过之后，在其尾迹中有些phi<0.5的类似小气泡产生，但我们数据后处理的时候，这部分气泡是“溶解”在液相中了，所以有质量的损失！物理上讲，过渡区应该越小越好？但为了保证计算的收敛性，还是得有一定的厚度。

这个还真是纠结。

soliton

顺便在这里请教一个问题。

在模型库里的那个例子中，水/油的界面张力为0.02N/m。

直觉上讲，如果增加此界面张力，应该更有助于保持界面的形状，不会发生大的变化。这样更容易计算才对啊。但就在这个例子中，发现，界面张力的值改为0.2N/m后，计算就不收敛。细化网格后，后面还是不收敛。

这个界面张力的问题，也比较严重。

浪客星魂

会不会和artificial diffusion的设置有关系，楼主试试只用那个初始值是0.5的（忘记名字了）

facklaoer

表面张力与电磁力也许有冲突

soliton

表面张力与电磁力也许有冲突
facklaoer 发表于 2010-9-4 12:08

这个怎么知道什么叫冲突，还是不冲突啊？

我也试了模型库中的RISING BUBBLE例子，将界面张力调大，同样的程序也运行不下去。那么是不是可以这样说：因为界面张力太小，导致N-S方程中的那一项事实上作用不大啊？如果这一项变得相对大起来，反而给计算带来麻烦了？

soliton

会不会和artificial diffusion的设置有关系，楼主试试只用那个初始值是0.5的（忘记名字了）
浪客星魂 发表于 2010-9-3 22:09

这个在哪里设置啊？找了半天没找到。多谢指教了！

facklaoer

楼主可以寻求下表面张力变大计算不收敛的原因。
我有一点这么想的，把气泡简化成2d本身就是一种错误，因为气泡是三维的，或者2d轴对称的
而包括楼主和RISING BUBBLE的例子对于气泡仿真是不正确的，气泡实际成了Z方向无限长的桶装。
也许这与表面张力计算有误有关？
如果计算机速度允许的话，不妨用3d计算试试。

soliton

谢谢指教！

RISING BUBBLE的例子是2d轴对称的。气泡假设为2d的是和真实的不一样，其实质如楼上所说，的确是成了z方向无限长的柱状。

模型库中有水平集法做3d的例子，好像以前论坛版主也做过一个3d的例子，但没有看到具体的描述。我还没有尝试过，不知道在3d的情况下，怎么设置。要好好琢磨了。

sea-wave007

3# soliton

案例库做的事油泡在水中靠浮力作用上升，油水界面张力设0.02是完全合理的，你改为0.2就不对了吧，毕竟常温下水的表面张力才是0.072N/m!

sea-wave007

你做的这个例子，我也遇到过类似的，在level-set里面这个叫做相泄露，也就是说质量从一相泄露到另一相，当流体密度和粘度相差较大时比较明显，由于你做的是水-气泡的，密度和粘度差都很大，产生相泄露就可以理解了。一般处理方法是使用陡峭的Diracdelta、Heaviside平滑函数可以减小相泄露。

wjsw

11# sea-wave007

我在做水和空气顺流流动的模拟，也遇到了上面的问题。
使用水平集两相流应用模式模拟时，如果指定表面张力为0，则能算出结果；在其他任何参数都不变的情况下，如果指定表面张力为0.075N/m，计算就不收敛。
看论坛了很多人建议不收敛时使用平滑函数试试，但是一直不知道该怎么使用平滑函数，想请教一下楼上，能不能指导一下，或者给一些3.5a模型库里使用平滑函数的例子。

wjsw

11# sea-wave007

我在做水和空气顺流流动的模拟，也遇到了上面的问题。
使用水平集两相流应用模式模拟时，如果指定表面张力为0，则能算出结果；在其他任何参数都不变的情况下，如果指定表面张力为0.075N/m，计算就不收敛。
看论坛了很多人建议不收敛时使用平滑函数试试，但是一直不知道该怎么使用平滑函数，想请教一下楼上，能不能指导一下，或者给一些3.5a模型库里使用平滑函数的例子。

soliton

光滑函数：flc1hs, flc2hs.

在帮助文件reference guide中的p210页有详细的说明。记得论坛上也有帖子讨论过。这个平滑函数确实有助于计算收敛，但是体积守恒的问题某种程度上感觉就是这个引起的。

是收敛出计算结果？还是结果正确性？这两者之间有个微妙的平衡。艺术啊。我一直为此困惑。

wilshere

需要一个真实的平滑函数，现有的平滑函数还是存在一定的阶跃，从而造成不守恒。
一个极端精细的网格可能也可以做到。

现在有一个通过施加弱形式的方法帮助守恒，进行相回注。