基于光滑粒子流体动力学方法的表中孔泄流模拟

针对表中孔泄流问题,基于光滑粒子流体动力学方法,建立了表中孔泄流冲击水垫塘模型。采用人工粘度、密度近似、镜像虚粒子控制等技术,模拟了双孔同时泄流在空中交汇碰撞、冲击下游水垫塘后产生水舌漩涡、再入水过程,同时验证了溃坝模型验证方法的合理性。结果表明,开始泄流时中孔压强为13.60 kPa,中孔水流冲击下游水垫塘时最大速度为4.57 m/s,数值模型可准确模拟出表中孔泄流过程,说明基于光滑粒子流体动力学方法的数值模拟可准确处理流体大变形问题,可为表中孔泄流分析和坝身优化设计提供参考。

光滑粒子流体动力学方法在饱和边坡地震滑移大变形中的适用性研究

地震作用下饱和边坡破坏会产生滑移大变形行为,一般难以采用有限元等网格方法进行分析,而光滑粒子流体动力学方法可以轻松处理大变形问题。基于此,通过在光滑粒子流体动力学方法(SPH方法)中加入瑞利衰减阻尼,基于有效应力本构模型改进了SPH方法的运动方程,建立了用于饱和边坡地震滑移大变形的数值计算方法;之后与饱和土样的空心圆柱扭剪试验获取的有效应力路径和剪应力-应变滞回曲线进行了对比,取得了较为一致的结果,验证了本改进方法的可行性。最后采用建立的数值计算方法,分析了不同SPH粒子密度下饱和边坡的地震滑移行为并与Newmark方法进行了对比。研究发现,改进的SPH方法确定的饱和边坡地震滑移临界面形状与Newmark方法对数螺旋滑移面形状吻合较好;因此改进的SPH方法能较好的再现饱和边坡地震作用下的滑移大变形过程,但该方法中边坡地震滑移大变形分析结果受设置的粒子密度影响。

光滑粒子流体动力学方法在拱坝中孔泄流冲击水垫塘模拟中的应用

为验证光滑粒子流体动力学方法的计算程序对自由表面大变形问题的模拟结果是否准确,基于光滑粒子流体动力学方法,建立溃坝模型,通过与物理模型试验结果对比,两者自由液面相似度为91.7%,内部压强分布合理,说明该程序能相对准确模拟流体大变形问题。在此基础上,建立了拱坝泄流模型,模拟了中孔泄流冲击水垫塘过程,结果显示:下泄水流流动连续,未见明显非物理振荡现象;开始泄流时中孔压强为14 kPa;中孔水流冲击下游水垫塘时最大流速为5.1 m/s。数值模型能相对准确地模拟出拱坝中孔泄流过程,未来有望应用于中孔泄流分析及坝身优化设计中。

基于离散元与光滑粒子流体力学耦合的高浓度尾砂浓密过程仿真

为实现对高浓度尾砂浓密过程的动态可视化观测和定量化表征,弥补常规物理相似模拟和数值模拟方法适用性较差的不足,提出了一种基于离散元(DEM)和光滑粒子流体动力学(SPH)耦合的高浓度尾砂浓密仿真方法,并采用该方法对某矿全尾砂浓密工艺进行了模拟仿真。通过建立与工业机结构一致的全尺寸深锥浓密机模型,基于物理试验标定固液两相流体仿真参数,以浓密机底流浓度作为主要评价指标,将仿真结果与现场生产情况进行对比,结果显示二者误差极小,验证了仿真模型的准确性和可靠性,为矿山充填浓密工艺研究与优化设计提供了一种新方法。

流体动画模拟的一种新方法

近年来基于物理的流体模拟成为计算机动画领域中的一个极具有挑战性的问题,针对有限差分方法和有限元方法对流体动画模拟的局限性,利用光滑流体动力学方法实现了流体的动画模拟,该方法不依赖网格,适合于计算具有极大变形的流体计算,溃坝坍塌现象的模拟实验表明:方法既能模拟流体的整体演进特征,又能表现流体飞溅、破碎的现象,能够真实有效地模拟水流运动情况。

基于光滑粒子方法的水流数值模拟

近年来基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法的流体模拟成为计算流体力学领域的一个研究热点,由于该方法计算空间导数时不需要使用网格,从而避免了高维拉氏差分网格法中的网格缠结和扭曲,在处理冲击和大变形问题方面具有优越性。对液滴坠入装有液体的方形容器这一具有挑战性水流现象进行了模拟。模拟结果表明,该方法能够模拟液滴与液面碰撞、破碎、融合等水流现象,也能表现出水流飞溅、卷曲等复杂的自由表面特征。

基于Smoothed Particle Hydrodynamics方法的实时流体模拟

提出基于物理的、实时的技术模拟水体,根据Smoothed Particle Hydrodynamics方法求解流体动力学的Navier-Stokes方程,并运用Marching Cubes体绘制算法重建流体表面。实验表明基于粒子的方法能模拟流体所特有的飞溅、漩涡等现象,Marching Cubes在表面重建的高效性使模拟达到实时、交互的应用。

光滑粒子流体动力学-有限元法接触算法研究

耦合光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元法(FEM),是研究冲击动力学问题的一种有效途径。为解决SPH粒子和有限单元间的接触问题,提出了SPH-FEM接触算法。该算法是在有限元节点处设置背景粒子,采用SPH接触算法的思想,计算施加在SPH粒子和有限元节点上的接触力,并且以外力的形式分别加入到SPH动量方程和有限元动力学方程中。利用SPH-FEM接触算法,对两杆撞击以及圆柱形钢弹正冲击钢板发生的冲塞破坏过程进行了三维数值模拟,靶板采用含损伤的Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程,模拟结果与实验结果吻合较好。

上浮气泡与自由表面相互作用的ISPH-FVM耦合方法模拟

上浮气泡与自由表面相互作用的过程涉及复杂的界面拓扑演化,该过程一直是气泡流研究领域广为关注的问题之一.为探究上浮气泡与自由表面相互作用动力学行为,将不可压缩光滑粒子流体动力学(incompressible smooth particle hydrodynamics,ISPH)方法与有限体积法(finite volume method,FVM)相结合提出了一种ISPH-FVM耦合方法.在ISPH-FVM耦合方法中,粒子和网格之间的信息交互是通过核近似插值技术实现,并将连续表面应力模型(continuous surface stress,CSS)引入当前耦合框架中以评估相界面处表面张力效应.此外,CSS模型通过FVM网格上定义的体积分数进行离散和计算,并且网格上的体积分数是通过网格支持域内ISPH粒子的核近似插值获得的.随后,利用ISPH-FVM耦合方法模拟了平衡状态下圆形气泡振荡以及单气泡上升,并将模拟结果与其他数值方法结果进行比较,验证了当前耦合方法中表面张力模型的收敛性以及界面追踪的准确性.为测试ISPH-FVM耦合方法模拟涉及复杂拓扑变化气泡流的性能,对上浮气泡与自由表面相互作用的动力学行为进行了分析,并且研究了不同韦伯数(We)以及雷诺数(Re)对气泡与自由表面相互作用的影响.研究发现,随着We数增加上浮气泡与自由表面相互作用时界面将发生大的畸变并且产生的夹带液滴数量也相应增加,然而上浮气泡与自由表面相互作用的过程并没有随Re数的增加而发生明显差别.

一种基于DirectCompute加速的实时流体仿真框架

针对流体仿真中流体粒子规模增大导致的仿真效率较低和较复杂固液边界处理耗时较长的问题,提出了一种基于DirectCompute加速的实时流体仿真框架,仿真中采用一种基于网格的局部碰撞检测方法来加快搜索固流边界,使用DirectCompute技术将流体计算、碰撞检测和流体表面重构部分放入GPU(Graphics Processing Unit)中并行计算来加速SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)流体仿真,并利用其特性优化了SPH流体仿真的存储结构,节省了存储空间。实验结果证明,该框架有效提高了带有较复杂静态场景的流体仿真速度,并能展现出流体水花细节。

SPH方法中常数一致性核函数的建立及公式化

施加边界条件的不足是SPH方法的一个棘手问题,因为在结构边界外没有颗粒的存在,使得在边界处核函数的单位特性不能得到满足。施加"伪"颗粒是目前通用的一种方法,但是对于不规则结构和复杂几何边界,确定这些"伪"颗粒非常困难。本文讨论通过使用满足常数一致性的核函数来改善边界的不足。文章首先通过三种方法推导了满足常数一致性条件的核函数及其函数梯度的表达式,发现了两个不同分母式的表达,分析了满足常数一致性的修正核函数的数学特性。开展了二维和三维的算例比较,结果发现使用修正的核函数对边界条件有明显改善,对计算精度和稳定性也有显著提高。

一种可考虑界面不连续的改进SPH方法

SPH方法模拟工程问题时通常遇到不连续的物理量,因此有必要引入不连续的SPH方法。本文基于Taylor展开公式推导了2D和3D的不连续SPH公式。针对越过材料界面不连续物理量的计算,给出了大变形计算中确定不连续位置的方法;基于Taylor展开公式,从理论上给出了确定不连续公式中xk点的方法,并用数值方法验证了此方法的有效性。比较和讨论了初始SPH方法,CSPM方法与不连续SPH方法处理不连续量的效果。结果显示不连续SPH方法在计算不连续量时有较大的优势。

基于无滑移边界条件的SPH方法研究

在回顾了SPH无滑移边界条件施加方法的基础上,针对Ellero等人提出的无滑移边界处理方法,结合两次导数求解粘性项,分析了利用该方法求解Poiseuille流模型时遇到的不稳定问题,包括数值误差引起的不稳定问题和边界粒子场变量更新方式引起的不稳定问题,提出了相应的解决方案并对其方法进行了一定的改进,获得了更加精确的计算结果。最后尝试了一种与改进边界处理方法等效的方法,并利用Poiseuille流模型进行了验证。

不同质量粒子分布SPH方法及其应用

光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种新发展起来的纯拉格朗日数值方法,其最大的优点是不需要对自由表面进行特殊处理,有利于模拟飞溅、破碎等高度非线性流。SPH方法的一个缺点是计算的时间复杂性高,因为需要大量粒子详细定义流体,使之计算时间相应增加。在核半径保持不变的情况下为了提高计算效率和精度提出不同质量粒子分布的方法,即在关键计算区域分布较小质量粒子,而在其它区域分布较大质量粒子。首先通过静水数值模拟,初步验证了此方法的有效性。之后,对半浸泡振荡圆筒所产生的小振幅水波进行了数值模拟。将数值模拟结果与已有的实验结果进行了对比分析。分析结果表明此方法能够明显提高计算精度的同时可以节省大量计算时间。

基于SPH方法的滴水涟漪动画模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种新近发展的可用于流体模拟的无网格数值方法。文中基于SPH方法的基本原理,利用SPH方法求解描述水流现象的二维浅水波方程,根据具体模型使用Mon-aghan人工粘性的变形形式,有效地防止了相互靠近粒子的穿透,消除了SPH方法在模拟流体动力学问题时产生的数值振荡。通过使用可变光滑长度,使邻近粒子的数量保持相对稳定,提高了求解的计算效率和精度。同时,对光滑长度进行了修正以获取对称光滑长度,保持了粒子间相互作用对称性。全面考虑了各种定解条件的设置,对水滴的运动进行了模拟,SPH模拟结果与有限差分法、有限体积法结果非常吻合,验证了方法的准确性,为SPH方法的进一步发展和广泛运用奠定了基础。

改进的流体模拟固体边界处理算法

流体模拟是计算机图形学的一个重要研究分支,流体的固体边界处理一直是流体模拟的研究重点,光滑粒子流体动力学(SPH)方法中的镜像粒子法是处理固体边界的一个重要方法。镜像粒子法通过靠近边界的流体粒子在边界外动态生成对应的镜像粒子来处理固体边界问题,但随着边界复杂程度的提高,传统的镜像粒子法生成镜像粒子的复杂度也随之提高,模拟效率随之降低。为此,文章对镜像粒子法进行改进,提出一种新的镜像粒子场量求值方法,有效地降低了复杂边界情况下生成镜像粒子的复杂度,且使靠近边界的流体粒子场量更加均匀。仿真实验结果表明,随着流体模拟粒子数的增加以及边界复杂程度的提高,该方法比传统镜像粒子法效率高的优势也更加明显。

爆炸复合边界效应SPH方法的数值模拟（英文）

利用LS-DYNA软件采用无网格的光滑粒子流体动力学(SPH)方法对爆炸复合的边界效应进行了二维数值模拟研究。结果表明,金属射流现象和边界效应与爆炸复合生产实践一致。爆炸复合边界效应产生原因并非是由于边界的冲击能量过剩而造成基复板碰撞时边界处的打伤打裂,在基复板碰撞之前,断裂已经产生,认为爆炸复合边界效应的产生是由于稀疏波对边界处爆轰产物的影响,导致复板边界处与内部存在速度差,从而使复板边界处的碰撞角变大,在爆轰产物压力的作用下发生断裂。此外,采用蜂窝结构炸药及双面爆炸复合方法可以使得边界效应得到有效控制。

应用FPM方法模拟封闭方腔自然对流

为验证有限粒子方法(FPM)能否很好地模拟自然对流问题,采用FPM方法对封闭方腔自然对流问题进行了数值模拟.对FPM方法进行详细描述,并利用FPM方法对拉格朗日型的N-S方程进行离散,基于离散后的方程对瑞利数Ra分别为104,105,106的封闭方腔自然对流问题进行数值模拟,给出了不同瑞利数条件下的速度和温度云图以及中心线上量纲一的速度和温度分布曲线.结果表明,FPM方法能够获得较准确的温度分布规律,当瑞利数较低时也能获得较准确的速度分布规律,但随着瑞利数的增大,速度场的模拟结果精度和稳定性变差,因此为了获得更准确和光滑的速度分布场,需要对FPM方法做进一步的改进.

基于SPH方法的单颗金刚石磨粒磨削光学玻璃数值仿真

采用光滑质点流体动力学(SPH)方法,将金刚石磨粒简化为带有尖端圆弧的圆锥,对单颗金刚石磨粒在不同切削速度下切削光学玻璃的过程进行了三维数值仿真。仿真结果表明使用SPH方法可以很好地模拟脆性材料被切削过程的本构行为。通过分析单层SPH粒子被磨粒切削的过程,还原了工件整体被磨削的宏观过程;通过分析切削速度对单颗磨粒切削形成沟槽的形状以及工件残余应力的影响,得出当切削深度一定时,提高的切削速度可获得更大的材料去除率以及更好的光学玻璃磨削表面的结论。

解决SPH方法应力不稳定问题的改进方法

文章研究了光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法中的应力不稳定问题,将改进的核函数和改进的动量方程的离散形式相结合,提出一种能同时改善压应力和拉应力不稳定性的方法。针对应力不稳定产生的原因,即应力不稳定性与应力状态和核函数有关,首先提出了一种改进的核函数来解决流体中的压应力不稳定问题,并将其应用到计算机图形学的流体模拟中,对二维和三维溃坝进行仿真实验,并与其他方法进行比较,结果表明,该方法的稳定性和模拟效率都有明显提高。为了同时改善压应力和拉应力的不稳定性,对动量方程的离散形式进行改进,把拉伸状态下的吸引力转化为排斥力,使得排斥力随粒子间距减小而增大,避免了原先吸引力造成的粒子聚集现象,有效改善了拉应力不稳定性。二维液滴在受到表面张力作用下形变的仿真实验效果验证了文中方法能使液滴粒子分布更均匀,稳定性大大提高。