浸入邊界法
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
浸入邊界法的實例教程
采用浸入邊界法進行網格劃分時，不對流固邊界附近的網格做特殊處理，而是用六面體網格進行劃分。當然對于局部流場梯度較大的區域（例如流固邊界處），也可進行局部的網格加密處理。這種方法下網格處理及其簡單，而且計算精度也能得到一定的保障。
浸入邊界法最早由Peskin提出, 用于模擬血液在可收縮心臟瓣膜中的運動。
浸入邊界法通過分布力源項到N-S方程中來處理復雜邊界, 求解過程可以直接在笛卡爾網格上進行。因此, 網格生成簡單，無需生成貼體網格和處理網格運動與重生。與傳統的貼體網格算法相比, 采用浸入邊界法處理復雜邊界更加簡單, 并且具有較高的計算效率，近年來受到了廣泛關注。
下面采用上述兩種方法對Munk M3型機翼前緣的流場進行計算，并對結果進行對比。
展開 流體與固體間相互作用為非線性的多物理現象，體系的復雜性遠超單相流問題，如何準確解析移動的流固邊界是正確處理流固耦合的關鍵。
近年來，格子 Boltzmann 方法（lattice Boltzmann method, LBM）發展較為迅速，其屬于介于宏觀連續介質模型和微觀分子動力學模型之間的介觀模型，物理背景清晰；相較于有限差分法、有限體積法、有限元法等常規的計算流體力學方法，LBM 具有求解簡單、容易并行等特點，受到國內外學者的廣泛關注。目前基于 LBM 研究者們構建了多種描述移動邊界的方法，如邊界鏈法（link-bounce-back, LBB）、干顆粒耦合法 （ dry particle coupling method, DPC）和浸入邊界法（ immersed boundary method, IBM） 等 。
本文在原始權重函數的基礎上，提出了一個改進的權重函數，通過引入零固含率處的權重因子多階導數為 0 作為限制條件，改善中等雷諾數下固體受力的預測精度。通過靜止圓柱繞流、Taylor-Couette 流和振動圓柱繞流驗證該函數的有效性，表明改進的權重函數可作為一種合理的浸入運動邊界方案。
靜止圓柱繞流
為了驗證權重函數的修正效果，本文采用下述方法，基于不同 b 的權重函數驗證不同雷諾數下均勻來流靜止圓柱繞流問題，并與文獻的結果對比。求解區域如圖 1 所示。
圖 1 圓柱繞流計算域及邊界條件
計算區域為矩形，長和寬分別為 800 和 400，流體運動黏度 ，密度 ，圓柱直徑 D =20。計算域左側為均勻來流入口邊界，速度 u = U、v = 0，采用 Zou & He 邊界；上下兩側均為周期邊界 ；右側為自由出流邊界，采用 Neumann 邊界，即?u/?x = 0、 ?v/?x = 0。
展開 作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
浸入邊界法是一種數值技術，用于模擬和分析結構周圍的流體運動和變形，無需精細的網格劃分。
浸入邊界法使用一組點或標記，可用于分析流固耦合和相關變形。
在飛機設計中，CFD 工具允許實施浸入邊界法和相關的流固耦合算法來模擬流動和相關的結構響應。
浸入邊界法無需網格劃分
模擬物體周圍流動的常見過程是什么？讓我們考慮在流動的流體中放置一個球體作為障礙物。通常，在球周圍明確創建網格并模擬流動行為以分析其在物體周圍的運動和影響。但是，還有另一種方法可以做到這一點。
浸入邊界方法允許在不創建結構化網格的情況下表示對象及其周圍的流動運動。相反，對象及其邊界使用一組點表示。這些點或標記的移動可用于分析流固耦合和相關變形。
在飛機設計中，任意形狀和尺寸的部件增加了仿真過程的復雜性。浸入邊界法的使用消除了創建共形網格的需要，并顯著減少了計算時間和成本。
空氣動力學設計挑戰
當流動的空氣與飛機結構接觸并引起升力、阻力和湍流等現象時，就會出現空氣動力學設計中的流固耦合問題。這些力顯著影響飛機的結構響應。例如，當飛機機翼或發動機艙受到復雜的流動行為時，結果可能是結構變形和振動。變形會導致升力和阻力等空氣動力發生變化，并影響發動機和其他飛機部件的結構完整性。
因此，流固耦合的模擬對于分析不同流動條件對飛機性能的影響非常重要。對相互作用的準確預測使工程師能夠做出優化決策，以減少顫振、噪聲和變形等影響，并確保空氣動力學操作的安全性和效率。這可以借助有效的模擬技術有效地完成。
與傳統的基于網格的仿真方法相比，使用浸入邊界法進行的仿真具有多項優勢。
展開 本研究采用浸入邊界法（IST）劃分網格，homogeneous mixture模型捕捉氣液兩相界面運動，標準k-ε模型描述湍流，并利用熱限制相變模型、LEE模型及壁面冷凝模型等描述流動相變效應，分析了工質在系統回路中的流動狀態、相變率及相含率變化。通過仿真模擬乙烷和丙烯工質在蒸發器和冷凝器中的行為，采用2D軸對稱和3D模型，并基于實驗數據估算系統壓力、物性參數及質量流量，分析了不同加熱功率和孔徑條件下的工質蒸發和冷凝過程，并評估了液體夾帶現象及其對系統穩定性的影響。
仿真結果顯示，乙烷和丙烯工質在蒸發器和冷凝器中均能達到穩定的工作狀態，且結果與實驗數據一致。蒸發器內的液體蒸發現象與加熱功率和孔徑密切相關；冷凝器內冷凝速率穩定，達到穩定工作狀態的時間顯著短于蒸發器。通過壁溫實驗數據可以顯示，仿真計算的流場溫度與實際測量值吻合，證明仿真模型的合理性和可靠性。這一研究對優化環路熱管系統的設計與運行具有重要參考價值。
蒸發器內各統計量隨時間的變化
冷凝器流場穩態結果云圖(P=50W)
該研究成果不僅展示了積鼎豐富的熱管技術理論基礎，也為未來熱管模擬仿真技術的實際應用提供了有力的技術支撐。通過本次活動更進一步加強了積鼎與國內外科研機構和企業的合作交流，將共同推進熱管相關技術的應用及發展。
作為熱管技術領域的全國性專業學術會議，全國熱管會議自1983年首次召開以來，已發展成為推動熱管基礎與前沿技術發展的重要平臺，對熱管技術在信息、能源、航天、化工等多個行業的廣泛應用起到了積極的推動作用。
展開 精度改進：通過修改網格以更好地定義流型、邊界條件等，可以提高解的精度。
優化：網格變形可以優化結構設計，從而實現最佳幾何形狀。這在空氣動力學研究中非常有用，可以通過對設計進行最佳更改來最小化阻力并最大化升力。
網格變形的上述重要性可用于 CFD 中，使用不同類型的網格變形技術，我們將進一步討論。
不同的網格變形技術
網格變形方法可以分為兩類——傳統的基于網格的方法和無網格方法。
基于網格的方法
基于網格的變形技術考慮了固定網格的作用，并依賴于網格的頂點或節點的受控移動來解釋變形或其他幾何變化。基于網格的方法可以進一步分為以下技術：
基于變形
網格通過節點和頂點的受控移動而變形。例如，自由變形技術。
基于網格
網格被離散化為單元網格以表示流體域。每個單元獨立變形以詳細捕捉流固相互作用。例如，格子玻爾茲曼方法。
基于水平集
使用水平集函數，其中為網格中的每個點分配一個值，表示到流體界面的距離。然后通過移動點來模擬流固耦合來完成網格變形。例如浸入邊界法。
基于優化
網格變形基于衡量網格質量的成本函數。將節點的坐標調整到最佳點以提高仿真精度。
無網格方法
無網格方法不依賴于固定的網格結構。相反，它使用一組節點表示域。可以通過以受控方式重新定位這些節點來解決變形問題。
展開 
浸入邊界法的相關專題、標簽、搜索
浸入邊界法的最新內容
本研究采用浸入邊界法（IST）劃分網格，homogeneous mixture模型捕捉氣液兩相界面運動，標準k-ε模型描述湍流，并利用熱限制相變模型、LEE模型及壁面冷凝模型等描述流動相變效應，分析了工質在系統回路中的流動狀態、相變率及相含率變化。
目前基于 LBM 研究者們構建了多種描述移動邊界的方法，如邊界鏈法（link-bounce-back, LBB）、干顆粒耦合法 （ dry particle coupling method, DPC）和浸入邊界法（ immersed boundary method, IBM） 等 。
Re=20，圓柱繞流，速度x方向分量分布
Re=100，圓柱繞流，速度x方向分量分布
這里將基于IST網格技術的數值計算結果與前人數值及實驗結果進行對比，如下表所示，對比結果良好，基于IST網格技術的數值計算結果與實驗及浸入邊界法計算結果基本一致。
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
浸入邊界法是一種數值技術，用于模擬和分析結構周圍的流體運動和變形，無需精細的網格劃分。
浸入邊界法使用一組點或標記，可用于分析流固耦合和相關變形。
在飛機設計中，CFD 工具允許實施浸入邊界法和相關的流固耦合算法來模擬流動和相關的結構響應。
例如浸入邊界法。
基于優化
網格變形基于衡量網格質量的成本函數。將節點的坐標調整到最佳點以提高仿真精度。
無網格方法
無網格方法不依賴于固定的網格結構。相反，它使用一組節點表示域。可以通過以受控方式重新定位這些節點來解決變形問題。
浸入邊界法最早由Peskin提出, 用于模擬血液在可收縮心臟瓣膜中的運動。
浸入邊界法通過分布力源項到N-S方程中來處理復雜邊界, 求解過程可以直接在笛卡爾網格上進行。因此, 網格生成簡單，無需生成貼體網格和處理網格運動與重生。
