Level Set方法
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
Level Set方法的實例教程
常用的界面捕捉模型包括LS（Level Set）方法和VOF（Volume of Fluid）方法。</p><p>多相流模擬軟件，首先就是針對此類有邊界面的問題。目前主流的商業CFD軟件大多采用VOF方法，而定位于多相流仿真的國產通用流體仿真軟件Virtualflow采用Level Set方法進行界面流仿真。</p><p><br></p><h2>1、Level Set 方法</h2><p>Level Set方法是基于空間曲面的隱函數表達。</p><p>在LS方法中，每一個時間步都要重新初始化LS方程，在時刻tn 求得的LS函數與控制方程一起求解得到下一時刻的LS函數，這些初始化的過程中總伴隨著界面位置的移動，會造成質量損失，導致質量不守恒。而改善初始化步驟來矯正質量守恒又會增加計算時間，提升計算成本。同時，因為LS方法采用的是光滑的距離函數來捕捉相界面，各個物理量可以在界面上光滑連續地過渡，且相界面的捕捉效果好。</p><p><br></p><h2>2、VOF方法</h2><p>在VOF方法中，用來劃分兩相界面的函數是體積分數α，表示的是單個網格內的液體體積與這個網格總體積的比值。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://bexp.135editor.com/files/users/1445/14451217/202406/cWUkgG9x_DPHz.png?
展開 然而，傳統的單相流模擬方法顯然無法滿足多相流問題的需求，因為多相流涉及到不同相之間的復雜界面相互作用、相間傳熱傳質以及拓撲變化等現象。幸運的是，Level-set方法作為一種有效的界面捕捉技術，為多相流的數值模擬提供了一種有力的工具，而上海積鼎信息科技有限公司自主研發的VirtualFlow軟件，正是基于這種先進方法的專業多相流仿真軟件。
1 Level-set模型介紹
1.1 基本原理
界面追蹤方法通常用于兩種或多種不互溶流體的自由界面流動（可以是液-液或者氣-液體系），流體之間由清晰的界面分隔，并且界面隨時間變化。界面追蹤/捕捉方法是一種通過追蹤某個場的變化來確定和追蹤界面的方法。該方法對整個計算域求解一個輸運方程，然后把兩相流體視作具有變化物性的單一流體。這些物性的變化通過相標記函數x(x,t)的輸運來考慮
1.2 特點與優勢
（1）界面捕捉能力強 ，Level-set方法能夠自然地處理復雜的界面變形和拓撲變化，如液滴的分裂、合并以及氣泡的形成和破裂等，無需對界面進行顯式的參數化處理，避免了在處理復雜界面問題時可能出現的網格扭曲和計算困難等問題。
（2）物理量計算準確，通過光滑的Level-set函數及其導數，可以較為準確地計算界面處的幾何量，如法向量、曲率等，從而能夠更精確地模擬表面張力等物理效應，更好地反映多相流的實際物理過程。
2 水瓶注水VirtualFlow算例設置
2.1 軟件概述
VirtualFlow是由積鼎公司自主研發的一款專業的多相流仿真軟件，它基于Level-set方法等多種先進的數值算法，能夠對多尺度、多流體的層流和湍流氣液兩相流動進行精確的數值模擬，在工業領域的多相流問題研究和工程應用中得到了廣泛認可和應用。
展開 要在COMSOL中進行激光加工熔池的模擬，您可以使用COMSOL Multiphysics軟件，并結合Level Set方法來建模液體/固體相變。以下是一般步驟：
準備模型： 打開COMSOL Multiphysics軟件，創建一個新模型。
選擇物理場： 在模型創建界面中，選擇適當的物理場。對于激光加工熔池的模擬，您可能需要選擇熱傳導、流體流動和相變等物理場。
幾何建模： 創建幾何模型，表示您要模擬的激光加工熔池的幾何形狀。確保包括激光的輸入位置和方向。
網格劃分： 生成適當的網格，確保在激光照射區域和熔池周圍有足夠的網格分辨率。COMSOL提供了自動網格劃分工具。
材料屬性： 定義材料的熱物性、流體性質和相變參數。對于熔融池，您需要考慮液體相和固體相之間的相變參數。
邊界條件： 設置邊界條件，包括激光輸入條件、傳熱表面條件等。確保模型反映實際物理過程。
初始條件： 定義模擬的初始條件，例如開始時的溫度場和流場。
方程和耦合： 編寫和配置適當的方程組，考慮熱傳導、流體流動和相變。確保這些方程相互耦合，以模擬實際的物理過程。
Level Set 方法： 選擇Level Set方法來描述液體/固體相變的界面。您需要配置Level Set方程并設置相應的參數。
求解： 運行模擬并查看結果。通過監視激光加工熔池的溫度、流場和相變等參數，以獲得有關過程的詳細信息。
后處理： 分析和后處理模擬結果，例如查看溫度分布、液體/固體相變的界面等。
展開 相分布圖（實際速度）
相分布圖（放慢視角）
實云流體仿真軟件配置的LEVEL SET方法可以準確地捕捉到氣液界面，仿真結果可以較好地展示水流從接觸到脫離的全過程：水流最先到達葉片與葉片間的漏斗區域，接觸葉輪壁面后水柱兩側分離出兩股向前和向后的水流，而大部分水在漏斗內隨葉輪轉動，隨后，漏斗內的水流被逐漸甩出，甩出的水流沿著葉片壁面的延長線運動，呈放射狀。
2 速度分布
速度分布結果如下所示：
速度分布圖（實際速度）
速度分布圖（放慢視角）
圖中入口水流速度為5m/s，在重力的作用下，水流在到達葉片前逐漸加速；接觸葉片后，水流在被葉片甩出時進一步進行加速。與此同時，水輪機周圍的空氣也呈現出明顯的速度變化。
本案例所模擬的水斗式水輪機雖然結構簡單，但所使用的方法適用所有水輪機結構，即多相流模型+耦合運動模型，其中多相流模型中應用了LEVEL SET方法，可以較好的捕捉兩相界面；耦合運動模型可以選擇位移或旋轉運動（本例為旋轉）。
展開 圖1 LNG船及液貨艙內部
液艙晃蕩常用的數值方法包括：基于歐拉法的VOF法和Level Set法、基于拉格朗日方法的無網格法SPH與MPS，以及歐拉-拉格朗日相結合的ALE方法。
其中，VOF方法處理流動界面 時依賴網格的細化程度，對復雜尖銳界面的模擬效果并不理想，但計算過程中滿足質量守恒；Level Set方法處理復雜界面的能力強，其自由表面的追蹤精度遠高于VOF方法，但每一個時間步都要重新初始化LS函數，這會導致質量不守恒。
通用計算流體仿真軟件VirtualFlow在算法上對Level Set方法進行優化，通過質量重新初始化方法對質量守恒進行修正，在捕捉液艙晃蕩具有明顯自由表面的界面流方面，具有獨特優勢。
選取馬德里理工大學所做的SPHERIC晃蕩標模實驗（如圖2，可參閱文末參考文獻），與VirtualFlow軟件液艙晃蕩仿真結果進行對比。
圖2 晃蕩標模實驗（A.
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通過 Level-Set 界面捕捉方法，可清晰追蹤噴嘴內流場與初次霧化過程，結合水平集輸運方程，精準計算界面法向量與曲率，為霧化模型提供高保真初始參數；在工程應用中，軟件支持基于 Lagrange 方法的顆粒包模型，涵蓋直射式霧化（WAVE、KHRT 模型）與離心式霧化（RR/LISA、KHRT 模型）等多種構型，可根據不同噴嘴類型（直射式吸嘴、離心式切向槽式 / 漩渦室式噴嘴）靈活選擇，滿足主燃燒室與加力燃燒室的多樣化仿真需求
兩款軟件核心差異在于采用不同的常用兩相流模擬方法：國外商軟采用 VOF 方法，VirtualFlow 則采用 Level Set 方法。對比發現，兩款軟件預報的流動拓撲結構存在顯著不同。對于氣泡流，VirtualFlow 的預報結果能夠捕捉到氣泡內部的再循環流動，而國外商軟的 VOF 方法計算結果中未觀察到明顯的再循環流動。
對于界面流問題，它采用了VOF和 Level Set 方法。VOF 方法能夠清晰地追蹤氣液兩相的界面，通過計算每個網格單元內氣相和液相的體積分數，準確描述界面的位置和形狀變化。Level Set 方法則是將界面表示為一個符號距離函數，在處理復雜界面變形和拓撲變化時具有獨特優勢，能夠更精確地捕捉氣液界面的動態演化。
Level-set方法可以用于模擬注水過程中的油水兩相流動，幫助工程師更好地理解油水在油藏孔隙介質中的滲流規律，預測注水波前的推進速度和形態，以及優化注水方案，提高注水效果和原油采收率。此外，在石油工程中還涉及到諸如油井井筒內的氣液兩相流動、油氣水三相分離等多相流問題，Level-set方法也可以為這些設備的設計和優化提供理論支持和技術指導。
圖12 Low4工況下壓力沖擊和衰減曲線對比
（左: 實驗結果，右: CFDPro模擬結果）
CFDPro為上海積鼎信息科技有限公司自主開發的行業專用流體仿真軟件，具有獨特的Level Set界面追蹤方法、領先的湍流模型、豐富的相變模型，配置燃燒模型和反應機理接口，更加適用于工程計算模擬，提供了面向國防軍工的流體仿真解決方案，可用于航空航天、海洋船舶、兵器等領域流體仿真分析。
對于界面流問題，它采用了 VOF和 Level Set 方法。VOF 方法能夠清晰地追蹤氣液兩相的界面，通過計算每個網格單元內氣相和液相的體積分數，準確描述界面的位置和形狀變化。Level Set 方法則是將界面表示為一個符號距離函數，在處理復雜界面變形和拓撲變化時具有獨特優勢，能夠更精確地捕捉氣液界面的動態演化。
在混合流問題上，VirtualFlow 提供基于歐拉 - 歐拉體系的均相模型。
段塞流捕捉器：段塞流會引起管道完整性問題和分離器的不穩定性問題，采用Level Set方法可以精確地捕捉管內流動界面特性。通過仿真模擬不同結構參數的段塞流捕捉器內部的氣液流動情況，找出最優的結構設計，評估段塞流捕捉器在不同工況下的性能，包括處理量、分離效率、壓力損失等，為實際應用提供理論依據。
界面流問題，提供了VOF、Level Set方法；混合流問題，提供了基于歐拉-歐拉體系的均相模型，提供多種懸浮顆粒模型；離散相流體問題，提供歐拉-拉格朗日模型，可以求解單向耦合、雙向耦合、耦合傳熱、顆粒-壁面相互作用；先進的相變模型，包括直接相變模型和基于經驗公式的相變模型，且所有模型均有相關驗證支持，穩定可靠。
</p><p><br></p><h2><strong>數值模型及參數設置</strong></h2><p>算例采用 <strong>RANS 湍流模型</strong>和<strong> Level Set 界面捕捉模型</strong>，精細地模擬了潰壩水流的復雜流動細節，由于采用了 Level Set 界面追蹤方法，模擬結果能真實反映洪水界面的演變規律。
常用的界面捕捉模型包括LS（Level Set）方法和VOF（Volume of Fluid）方法。</p><p>多相流模擬軟件，首先就是針對此類有邊界面的問題。目前主流的商業CFD軟件大多采用VOF方法，而定位于多相流仿真的國產通用流體仿真軟件Virtualflow采用Level Set方法進行界面流仿真。
