界面捕捉的案例
CFD仿真VOF界面捕捉穩定性研究：數值擴散與表面張力偽速度的影響及優化
界面穩定性問題分析</strong></p><p>在VOF方法中，界面穩定性是多相流模擬的核心問題之一。界面捕捉的穩定性直接影響模擬結果的物理準確性，尤其在處理復雜界面形變、表面張力驅動流動以及高密度比流體時，數值誤差可能導致非物理現象。以下是界面穩定性中兩個主要問題的分析：<strong>數值擴散</strong>和<strong>表面張力偽速度</strong>。</p><p> <strong>1.1 數值擴散</strong></p><p><strong>成因</strong>：</p><p>數值擴散是由于VOF方法中體積分數的對流項離散化誤差引起的，尤其在使用低階格式（如一階迎風格式）時更為顯著。</p><p>在界面捕捉過程中，界面形狀會隨著流動逐漸擴散，導致界面模糊，失去物理意義。</p><p>當網格分辨率不足時，界面重構（如PLIC方法）也可能引入額外的擴散誤差。</p><p><strong>影響</strong>：</p><p><strong>界面厚度增加</strong>：數值擴散會導致界面從一個清晰的薄層變成模糊的過渡區域。</p><p><strong>物理現象失真</strong>：例如在液滴動力學中，數值擴散可能導致液滴體積損失或形狀畸變。</p><p><strong>多相流模擬精度下降</strong>：尤其在小尺度問題（如微流體）中，數值擴散會顯著影響界面動力學行為。
展開 計算流體力學--多相流仿真專題
由仿真得到的界面運動，也可以與可視化實驗結果加以比較而得到驗證。
自由表面流的仿真可以分為界面捕捉法（Interface capturing Method）和界面追蹤法（Interface Tracking Method）兩大類。如圖2.1所示那樣，所謂界面捕捉法，就是把表示界面的函數，讓其隨流體遷移流動，從而來模擬界面運動。界面捕捉法含有MAC法（Marker and Cell），LS法（Level Set）和VOF法（Volume of Fluid）等多種方法。
另一方面，界面追蹤法是根據界面元素的變形，來分析模擬界面的運動，如圖2.2所示。界面追蹤法有ALE法（Arbitrary Lagrangian and Eulerian）等等。此外，粒子法（Particle Method）也可認為是一種界面追蹤法。
圖2.1 界面捕捉法
圖2.2 界面追蹤法
兩者比較而言，界面追蹤法能夠高精度地模擬界面的運動。然而，在使用界面追蹤法時，隨著界面的變動，必須重新生成元素。如果界面的變動過大，就可能生成扭曲的元素，使計算變得不穩定。當然這也可以通過增加元素分割的數目來避免，這樣一來，就會進一步增加計算的工作量。
現在，大多數流體的仿真軟件都采用VOF法來模擬自由表面流。其理由列舉如下：首先，在1970年代，由著名的美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（即Los Alamos National Laboratory，該所于2013年迎來了成立七十周年的慶典）開發了一個程序代碼為SOLA-VOF的軟件，并把它公開了，從而使VOF法得到了廣泛的應用和普及。另外，運用VOF法，不必重新生成元素，計算程序也不復雜，即使界面的變動很大，計算還能穩定進行直到問題解算完成。
展開 同是LevelSet技術，國產CFD軟件VirtualFlow如何在捕捉氣液界面時更精準和高質量守恒？
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。
溢洪道：LevelSet方法可分析泄洪消能過程中的水流狀態變化，由于算例幾何為單孔模型，沒有閘墩結構影響，所以水流相對平順，且沒有折沖現象。從仿真與實驗對比可見，通過VirtualFlow數值模擬結果與物理模型試驗值非常吻合。
油箱晃動：CFD仿真能夠模擬油箱內燃油在不同工況下的復雜動態行為，包括燃油的晃蕩、渦旋的形成與消散等，為油箱的設計提供直觀且精確的數據支持。利用VirtualFlow的LevelSet模型可以分析油箱結構對燃油晃動的影響，進而對油箱結構進行優化，如調整油箱的長寬比、深度、隔板設置等，以降低燃油晃動對飛機或汽車穩定性的影響。
展開 積鼎CFD界面追蹤方法Level Set與VOF在氣泡流動模擬的效果比較
<p>對于兩相流模擬，模型主要分為兩大類：高相分數模型和界面捕捉類模型。當我們關注水中的含氣量（氣泡界面及氣泡形狀可忽略），則采用高相分數模型，此模型適用于氣泡特別多的流動問題。對于有明確邊界的流體－流體問題，基本需要考慮如何捕捉邊界面。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 
CFDPro航空發動機的橫向射流霧化模擬
Level Set界面捕捉方法
Level Set界面捕捉方法是一種常見的界面捕捉方法，該方法用光滑的LS函數捕捉界面，界面法向的計算精度高，復雜界面處理能力強，可以很好的捕捉到霧化發展過程，故本文采用Level Set方法對霧化過程進行研究。
射流速度設定為30m/s，來流速度設定為30m/s，這里共開展了三種射流角度和三種噴嘴孔徑下的橫向射流霧化模擬，共計5種工況，具體工況參數如下所示。
設計仿真 | Cradle CFD助力金屬3D打印工藝優化
Cradle CFD憑借其多物理場耦合能力、高精度界面捕捉技術和高效計算性能，正在成為增材制造領域的核心研究工具。
這項研究不僅為金屬BJ工藝提供了科學指導，更彰顯了仿真技術從“輔助工具”向“決策引擎”的進化。在智能制造的時代浪潮下，Cradle CFD或將成為推動工業數字化轉型的關鍵技術工具。
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關于河北工業大學機械工程學院
機械工程學院前身是始建于1903年的北洋工藝學堂機器科，是創建最早的系所之一，1958年更名機械系，1998年更名為機械工程學院。學院擁有機械工程、力學、儀器科學與技術3個一級學科。機械工程、機械設計制造及其自動化、機械電子工程、車輛工程4個河北省重點學科。同時，學院建有機械工程、力學、儀器科學與技術3個一級學科碩士學位授權點；機械工程、車輛工程、儀器儀表工程3個專業學位授權領域。機械工程學科為國家“211工程”重點建設學科和河北省強勢特色學科，同時被確定為世界一流學科“裝備工程與技術”學科群建設主要依托學科。
研究團隊：河北工業大學機械工程學院楊偉東教授團隊
技術支持：海克斯康工業軟件Cradle CFD團隊
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Multiphase flow
bubbleFoam雙組分不可壓縮多相流求解器，其中一相是分散相，如液體中的氣泡
cavitatingFoam基于可壓縮液/汽混合物獲得的均相平衡模型的瞬態空化代碼
compressibleInterFoam采用VOF相分數界面捕捉方法求解2個等溫混溶可壓縮流體
interFoam采用VOF相分數界面捕捉方法求解2個等溫混溶不可壓縮流體
interDyMFoam
interFoam+DyM，包括自適應重劃分網格的網格運動和網格拓撲變化
interMixingFoam
3個不可壓縮流體，其中兩個互溶，VOF法捕捉界面
interPhaseChangeFoam帶相變的2個不可壓縮等溫混溶流體，VOF相分數界面捕捉方法
LTSInterFoam
LTS(Local time stepping,穩態)法求解2個不可壓縮等溫混溶流體，VOF相分數界面捕捉方法
MRFInterFoam多重參考系下求解2個不可壓縮等溫混溶流體，VOF相分數界面捕捉方法
multiphaseInterFoam計算n個不可壓縮流的界面，包括各相的表面張力和接觸角
porousInterFoam
2個不可壓縮等溫混溶流體，VOF相分數界面捕捉方法，顯式算法處理多孔區域
settlingFoam分散相沉積的2個不可壓縮流的計算
twoLiquidMixingFoam兩個不可壓縮流的混合
twoPhaseEulerFoam
Euler法計算2個不可壓縮流，一相為分散相，如液體中的氣泡
5. Direct numerical simulation (DNS)
dnsFoam
boxes的各相同性湍流的直接數值模擬
6. Combustion
chemFoam化學問題求解，單單元化學求解器，用于比較。
展開 流體仿真軟件VirtualFlow：Level-set在多相流模擬中的應用
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 Fluent帆船航行仿真全攻略：動網格×多相流案例教學包（含源文件+全程操作講解視頻） ￥150
本案例基于Fluent深度還原帆船航行場景，攻克兩大技術壁壘：動網格技術精準模擬船體運動導致的網格拓撲變化，避免因劇烈變形導致的求解發散；多相流VOF模型精確捕捉船體-波浪-空氣的交互細節，如興波阻力、飛濺流場及尾部渦旋，需平衡相間界面捕捉精度與計算穩定性。案例完整提供參數化cas文件、dat文件和高適配性網格及逐幀講解視頻，手把手演示動網格參數設置、多相流收斂技巧與瞬態結果診斷，直擊仿真痛點，助您繞過數月試錯周期！無論是科研攻關、工程優化還是教學實踐，本案例均為不可多得的實戰資源，購買即享“開箱即用”的高效學習體驗，讓復雜仿真難題迎刃而解！
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展開 OpenFoam水動力模擬之——潰壩
OpenFoam在這種有自由面的問題中，采用了界面捕捉算法，可能是VOF或者Level Set技術，但是看起來效果并不太好，遠不如粒子法計算得到的效果，不過雖然加密了網格數目，計算規模還是沒有之前使用粒子法的規模大。不過，估計規模同樣的情況下還是不如粒子法。如果粒子法的界面重構技術能再給力一些，在計算這種自由面的問題時真的就會將FVM+VOF遠遠甩在身后了。
積鼎CFD：基于Virtualflow在潰壩洪水演進數值仿真分析
</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。與傳統此類問題仿真中常用的VOF界面追蹤方法相比，<strong>Level Set模型直接求解相交接面位置，在追蹤相交界面的計算方面具有更高精度。</strong></p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202407/attachment/1133dcd8b8ad46f8bd3db66ea108fd35.png" style="text-align: center">
<img src="https://img.jishulink.com/202407/attachment/1133dcd8b8ad46f8bd3db66ea108fd35.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202407/attachment/1133dcd8b8ad46f8bd3db66ea108fd35.png?
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基于oof2實現不同單元類型的網格映射（包括像素網格）-原創帖
主要思路：在導入oof2前對圖片中不同區域賦予不同顏色，然后在oof2中進行圖像處理，然后建立不同顏色像素集合，再進行骨架劃分，同一個圖片可以進行不同的種類的骨架劃分，然后對骨架進行細化、界面捕捉、分割、光滑等處理，最后生成有限元網格，導出ABAQUS格式。
下面給出在oof2中處理的不同形狀、不同單元類型的二維模型示例圖（這只是一個例子展示，大家不用較真，圖片在ps中進行了輕微處理，獲得的網格界面處理的非常好）：
ABAQUS斷裂模擬收徒 ，快速學會各種ABAQUS斷裂模擬方法 **/人（將有機會享有各種插件以及程序，價值**、專門定制視頻、全程親自教學、各種模型調試及解答問題等等，傾囊相教）
展開 DualSPHysics模擬流體及物體漂浮
功能也比較強大，計算得到的散點模型可以通過界面捕捉算法獲得真實的效果圖。下圖是將計算結果的每一幀輸出，并采用Blender進行了簡單的渲染的效果，通過Python將每一幀合稱為gif圖片。
VirtualFlow | 水利工程泄水建筑物仿真應用與實踐
</p><p><br></p><h3><strong>一、VirtualFlow 技術優勢：適配泄水建筑物仿真需求</strong></h3><p>泄水建筑物的水力模擬需面對復雜幾何結構、瞬態界面流（水-氣兩相流）及高精度數據輸出等需求，VirtualFlow的核心技術特性可針對性解決這些痛點：</p><p><strong>1.高效前處理，縮短設計周期</strong>：采用獨特的 IST 網格技術，支持泄水建筑物復雜幾何模型，如溢洪道進口引渠、控制堰、漸變段泄槽等<strong>高質量六面體網格自動快速生成，</strong>無需大量人工干預，大幅節約前處理時間。</p><p><strong>2.精準界面捕捉，還原真實流態</strong>：針對溢洪道內水-氣兩相流動的核心問題，軟件可實現<strong>界面精確捕捉</strong>，對液面形態、流速分布進行精細的瞬態模擬，避免傳統計算中界面模糊導致的誤差，確保流場數據的真實性。</p><p><strong>3.多場景適配，覆蓋設計全流程</strong>：支持 RANS等多種湍流模型、均相流模型等多種多相流模型設置，可靈活應對不同類型泄水建筑物，如駝峰堰溢洪道、帶孔結構溢洪道、不同河墩形式溢洪道的仿真需求，通過多方案對比快速篩選最優設計。</p><p><br></p><p><strong>二、工程實踐：新疆某水利樞紐溢洪道仿真案例</strong></p><p>以新疆某水利樞紐的溢洪道為研究對象，VirtualFlow通過全流程數值模擬，精準還原了溢洪道水力特性，為工程設計提供數據支撐。
展開 詳解LS-DYNA爆炸仿真計算的模型與算法
但由于爆炸流場計算過程中，爆炸產物和空氣界面存在很大的壓力和密度梯度，采用以上任何一種算法都會產生異常小的界面網格，從而導致計算無法正常進行。因此爆炸流場計算中一般僅在邊界上采用物質描述，使邊界節點速度與界面法向運動速度相等，對于除邊界節點外的網格要關閉程序中的網格運動算法，使內部網格退化為空間描述。
當需要考慮殼體影響時，殼體和流場邊界可通過共用節點聯結，殼體為爆炸流場提供運動邊界條件，爆炸流場為殼體施加壓力載荷條件，在每一個時間步分步求解即可實現爆炸流場和殼體結構的流固耦合；而當采用剛性壁面假設之后，ALE 方法進一步退化為純粹的歐拉方法。
界面捕捉
炸藥爆炸后，爆炸容器內存在爆炸氣體產物和空氣兩種物質，這兩種氣體的流場都可以通過上述無粘性可壓縮方程描述，但計算過程中需要區分兩種不同介質，并捕捉兩種物質的界面。LS-DYNA 中通過定義物質組號來區分不同介質，采用楊氏流體體積法（Yong’s VOF）來捕捉兩種物質的運動界面，具體過程是：采用多物質單元劃分爆炸流場計算域，一個單元中允許同時存在多種物質；先假設界面沿單元邊界，根據與節點相鄰的所有單元中存在的物質計算各個節點上的物質體積分數；由同一單元網格各節點的物質體積分數梯度確定界面的法向，并構造該單元內界面；計算每個時間步內通過四周流到相鄰單元的流體體積，修改網格單元和相鄰單元中的流體體積分數；由各個邊界單元內界面組成整個物質界面。
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