基于光滑粒子动力学的煤岩刨刀刨削过程数值模拟

为研究刨削参数对刨刀载荷特性的影响规律,对刨刀破煤过程进行仿真,为得到更可靠的仿真数据,采用光滑粒子动力学(SPH)与有限元进行耦合(FEM)对刨刀破煤过程进行模拟,并将仿真结果与传统有限元算法进行比较证明此算法的优越性。通过模拟不同刨削参数下的刨刀的破煤过程,得到刨刀载荷数据。研究结果表明:随着刨削速度的增加,刨刀在刨削过程中的整体受载变化不大,但刨刀所受载荷峰值和波动范围随着随刨削速度的增加而增大;随着刨削深度的增加,刨刀在刨削过程中的整体受载有着明显的变化,具体表现为:刨刀所受载荷峰值和均值随着随刨削深度的增加而增大,但刨削深度对刨刀载荷波动范围影响不明显。

eXtended Pom-Pom黏弹性流体的改进光滑粒子动力学模拟

黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中,对其复杂流变特性的研究具有重要的学术价值和应用意义.本文提出一种改进的光滑粒子动力学方法,对基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性流动进行了数值模拟.为了提高计算精度,采用一种不含核导数计算的核梯度修正离散格式.为了防止粒子穿透固壁,提出一种增强型的边界处理技术.为了消除张力不稳定性,将人工应力耦合到动量守恒方程中.运用改进光滑粒子动力学方法数值模拟了基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性Poiseuille流和黏弹性液滴撞击固壁问题,通过与解析解或有限差分方法解的比较以及对数值收敛性的评价,验证了改进光滑粒子动力学方法的有效性和优势,并在此基础上,深入分析了Reyonlds数、Weissenberg数、溶剂黏度比、各向异性参数、松弛时间比和分子链臂数等流变参数对流动过程的影响.

光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方法的基本思想;从连续性、边界处理、稳定性和计算效率4个方面阐述了SPH方法的研究现状;介绍了SPH方法近年来在可压缩流动、不可压缩流动以及弹塑性材料高速变形与失效方面的一些典型应用;并对SPH方法的发展与应用进行了预测与展望.

基于修正并行光滑粒子动力学方法三维变系数瞬态热传导问题的模拟

为了解决传统光滑粒子动力学(SPH)方法求解三维变系数瞬态热传导方程时出现的精度低、稳定性差和计算效率低的问题,本文首先基于Taylor展开思想拓展一阶对称SPH方法到三维热传导问题的模拟,其次引入稳定化处理的迎风思想,最后基于相邻粒子标记和MPI并行技术,结合边界处理方法得到一种能够准确、高效地求解三维变系数瞬态热传导问题的修正并行SPH方法.通过对带有Direclet和Newmann边界条件的常/变系数三维热传导方程进行模拟,并与解析解进行对比,对提出的方法的精度、收敛性及计算效率进行了分析;随后,运用提出的修正并行SPH方法对三维功能梯度材料中温度变化进行了模拟预测,并与其他数值结果做对比,准确地展现了功能梯度材料中温度变化过程.

光滑粒子动力学方法及其应用

光滑粒子动力学(Smoothed Partic le Hydrodynam ics,SPH)方法是近年来得到广泛发展和应用的无网格方法的一个重要分支,它是一种纯Lagrangian方法。本文对现有的光滑粒子动力学方法进行了综述,介绍了该方法的理论基础、连续介质守恒方程、方法稳定性的改善等,重点阐述了边界条件的处理,并给出了SPH方法的算例。最后,介绍了SPH方法的最新进展状况。

三维溃坝流的光滑粒子动力学方法模拟

采用光滑粒子动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对三维溃坝流问题进行了数值模拟。为了逼真地模拟出坝内水体与壁面间相互作用而产生的水花飞溅、融合以及近壁面流动等现象,加入了混合长度形式的湍流模型。为了有效地防止粒子穿透固壁,提出了一种新型的适合三维数值模拟的固壁边界处理方法。应用SPH方法对三维溃坝流进行了数值模拟,并分别考虑了未添加障碍物和添加圆柱障碍物两种情形。计算结果表明,改进SPH方法能够精细地捕捉溃坝流在不同时刻的自由液面,并获得稳定而精确的数值结果。

光滑粒子动力学方法在复杂流动中的研究进展

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种纯粹的拉格朗日型无网格数值方法,尤其在处理包含自由表面或多相运动界面的复杂流动问题方面具有独特优势。随着计算精度和稳定性等方面的不断完善,SPH方法已被广泛应用于科学和工程的众多领域。介绍了SPH基础理论的最新成果,重点分析了其在界面流、流固耦合、非牛顿流体等领域的研究进展,并对未来发展进行了展望。

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进,改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正,采用了一种新型的核函数和离散格式,应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究.研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系.研究表明:对于纵横比λ4时的微液滴振荡过程,其他参数恒定不变的前提下,Re数越大,液滴形状变化越剧烈,波的阻尼作用越弱,液滴振荡周期变长;在Re数一定的前提下,随着液滴初始的纵横比的增大,液滴振动的振幅增大,液滴振荡的周期变长.

非线性薛定谔方程的高阶分裂改进光滑粒子动力学算法

为提高传统光滑粒子动力学(SPH)方法求解高维非线性薛定谔(nonlinear Schr?dinger/Gross-Pitaevskii equation, NLS/GP)方程的数值精度和计算效率,本文首先基于高阶时间分裂思想将非线性薛定谔方程分解成线性导数项和非线性项,其次拓展一阶对称SPH方法对复数域上线性导数部分进行显式求解,最后引入MPI并行技术,结合边界施加虚粒子方法给出一种能够准确、高效地求解高维NLS/GP方程的高阶分裂修正并行SPH方法.数值模拟中,首先对带有周期性和Dirichlet边界条件的NLS方程进行求解,并与解析解做对比,准确地得到了周期边界下孤立波的奇异性,且对提出方法的数值精度、收敛速度和计算效率进行了分析;随后,运用给出的高阶分裂粒子方法对复杂二维和三维NLS/GP问题进行了数值预测,并与其他数值结果进行比较,准确地展现了非线性孤立波传播中的奇异现象和玻色-爱因斯坦凝聚态中带外旋转项的量子涡旋变化过程.

二维自由表面流动的光滑粒子动力学方法数值模拟

在流体微可压缩的假定下,运用光滑粒子动力学(SPH)方法模拟了二维自由表面流动问题.选用正则化五次样条函数作为SPH核函数,由状态方程求得压力,采用显式三步法进行时间积分,利用链表法作为粒子搜索策略,并引入动态粒子模拟边界条件,提出了多项修正措施以弥补SPH方法的缺点.研究表明,文中计算结果与实验数据吻合,计算精度理想,且消除了流体粒子附着在边界上的不合理现象.

聚合物充模过程的基于高阶Taylor展开的改进光滑粒子动力学模拟

基于高阶Taylor展开提出一种改进的光滑粒子流体动力学(CSPH_HT)方法,并试探性地应用于涉及界面变形的黏弹性聚合物熔体充模过程的模拟.首先,针对传统光滑粒子流体动力学(SPH)方法和已有改进SPH方法的缺点,基于高阶Taylor展开,建立了一种新的改进SPH格式.然后通过基准算例验证了新的改进SPH方法的优势.最后,运用改进SPH方法模拟了环形腔和方形腔内的聚合物熔体充模过程,展示了XPP熔体和FENE-P熔体充模过程中界面演化的不同之处,分析了型腔参数对流动的影响.数值结果表明:CSPH_HT方法具有较高的数值精度和较好的数值稳定性,XPP(extended pom-pom)熔体和有限拉伸非线性弹簧(FENE-P)熔体具有不同的流动特性,型腔参数的微小变化能够对流动造成很大影响.

光滑粒子动力学核心算法与软件开发中的关键问题

针对光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)软件开发中诸多关键性问题未得到解决、开发进程相对滞后的问题,从SPH的精度、粒子近似离散格式、粒子分布和大小、变形的自适应、时间积分步长的自适应及边界算法和耦合算法等方面,分析核心算法以及SPH软件开发中的关键问题,如高性能计算与SPH方法的并行实现、前处理与粒子生成、后处理与可视化等.根据不同问题提出几种可行的解决方案,为SPH软件开发提供参考.

光滑粒子动力学方法的固液二相流研究

为了精确、高效地模拟生物工程和化工生产领域中的固液两相流动、指导设备设计和改进生产工艺,在光滑粒子流体动力学方法(SPH)的基础上,提出了一种考虑固液双向耦合作用的固液二相流算法.其中,固液两相被离散为拉格朗日粒子,流体和固体力学的控制方程则转化为相应的粒子间作用力.模型由初始状态启动后,粒子在这些力的作用下运动演化.由粒子携带的信息,通过插值核函数可以求得流场和固体的运动参数.通过标准算例的模拟,验证了控制方程组和边界条件的正确性.使用该方法模拟二维球形固相在水中的运动,初步分析表明模拟结果是合理的,因而采用该方法模拟化工生产中的固液二相流问题也是可行的.

基于光滑粒子动力学方法的爆轰波对碰实验数值仿真

为分析爆轰波对碰实验及不同材料飞层在爆轰波对碰作用下的动力学响应,采用能处理断裂和复杂界面的光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟.采用二维轴对称SPH离散形式,光滑函数采用B-样条函数;利用二维流体动力学程序进行数值模拟.数值模拟结果与实验结果符合较好,表明SPH方法能定性描述铅飞层对碰区凸起处于散碎、雾化的非连续、非密实状态.数值模拟表明铅飞层对碰区的凸起部位较钨飞层严重,这与两种材料的强度及可压缩性存在差异有关.

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。

光滑粒子流体动力学流体仿真技术综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是实现流体仿真的主要技术之一.随着生产实践中流体仿真应用需求的增加,近些年涌现了许多相关研究成果,改善了流体不可压缩性、粘性、表面张力等物理特性模拟的视觉真实性、效率与稳定性.同时,一些工作探讨了复杂场景的高质量模拟,以及多场景、多材料的统一仿真框架,增强了SPH流体仿真技术的应用效能.从以上几个方面对SPH流体仿真技术进行归纳、总结和讨论,并对其未来发展进行了展望.

水气二相流光滑粒子流体动力学方法研究进展

从状态方程、连续方程、动量方程和其他数值技术等方面,对光滑粒子流体动力学(SPH)解决水气二相流问题的数值技术和最新进展进行了综述,并对各项技术进行了评价。最后,提出了未来的研究展望。

基于光滑粒子流体动力学的紫铜切屑形态研究

FEM存在网格变形和重构等诸多问题,难以解决切削过程中刀具前端材料出现的极端塑性变形以及高应变率问题。而无网格光滑粒子流体动力学方法能够解决FEM中由于网格变形所引起的畸变问题,从而模拟出各种材料的任意变形。目前针对SPH方法的切削仿真研究主要集中于工艺参数、材料本构等外部参数的敏感性分析,而对于SPH公式的选择、粒子密度等内部参数的敏感性分析较少。为此,本文通过使用Ls-Dyna仿真软件构建了基于SPH的紫铜正交切削仿真模型,并搭建了正交切削实验平台。针对显著影响紫铜切屑形态及计算精度的内部参数进行了研究,并与切削实验的切屑形态及切削力进行对比,结合仿真计算时间成本,最终确定粒子密度为216000pcs/mm^(3)的重整化SPH更适合紫铜切削仿真实验研究。

一种改进GPU加速策略在光滑粒子流体动力学方法中的应用

为解决粒子的无序化易引起的图形处理器(GPU)内存访问冲突问题和提高计算效率,通过建立粒子重排序技术提出了一种改进的GPU加速策略.将该加速策略应用于光滑粒子流体动力学(SPH)方法中对三维带障碍物溃坝进行模拟,并与实验结果对比对算法进行验证,获得了较高的计算精度.基于此算例,通过在不同硬件设施上进行模拟分别对粒子重新编号的效果和算法的求解效率比较研究.结果表明,粒子重新编号技术可以保证稳定的单步运行时间,能够有效解决GPU-SPH算法显存访问冲突问题;该GPU加速的SPH并行算法能够大幅提高SPH方法求解效率,随着粒子数量的增加,其大幅缩短计算时间的优势愈发明显,为扩大SPH方法解决三维数值模拟的适用性提供了可能.

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。