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。

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。

一种光滑粒子流体动力学数据的后处理方法

提出一种光滑流体动力学数据后处理的三角网格化方法.首先确定流场中每个粒子作用域内的配对粒子集;再以当前粒子的配对粒子集为限定条件进行Delaunay三角剖分,可得到由粒子作为节点的三角形单元集;最后对"虚假"单元做过滤处理.算例表明复杂边界条件和严重变形的流体区域上的SPH计算结果都可用该方法处理.

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。

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.

基于光滑粒子流方法的双向聚能张拉爆破数值模拟

为了研究聚能角度对双向聚能张拉爆破的影响,首先,从双向聚能张拉爆破的原理出发,分析其断裂力学机理;其次,引入Johnson-Holmquist本构模型探究岩石的动力损伤特征;第三,运用光滑粒子流方法对双向聚能张拉爆破过程进行数值计算,再现60°,90°和150°聚能角度下的聚能爆破裂纹扩展过程,获得对应聚能角度下岩石损伤发展、粒子分布、应力分布及裂纹扩展的规律;最后,通过现场爆破试验验证其可行性和实用性。研究结果表明:在上述3种聚能角度下,双向聚能张拉爆破均能实现聚能方向上定向裂纹的形成和贯通,虽然存在次生裂纹,但是并不影响定向裂纹的形成和发展;聚能角度越小,聚能方向裂纹扩展的偏移角度越大,即双向聚能张拉爆破的定向预裂精度越差;在定向开裂过程中,炸药粒子以“气楔”作用的形式促进了裂纹在宽度和长度上的扩展。现场爆破试验结果证明了双向聚能张拉爆破具有优良的定向预裂效果。

基于光滑粒子流方法的全断面岩石掘进机盘形滚刀侧向力研究

侧向力对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀和刀盘设计具有重要影响。根据盘形滚刀空间运动规律,利用D-H矩阵法分析滚刀侧向受力的运动学原因,基于岩石断裂力学理论,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,模拟盘形滚刀动态破岩过程,得到滚刀侧向力。利用试验和美国科罗拉多矿业学院的预测模型(CSM),验证数值模型的准确性和可行性。通过仿真得到不同刀位安装半径的侧向力分布规律,进而分析了刀间距及滚刀加载次序对侧向力的影响。结果表明:内侧滚刀先行破岩时侧向受力较小,可为TBM滚刀设计、刀盘优化布局和实际施工提供理论参考。

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。

改进的接触算法及其在光滑粒子流体动力学中的应用

采用以黎曼解描述粒子间相互作用的接触算法,模拟一维情况下包含间断的流场。在弱间断的条件下,采用弱波近似的黎曼解来描述粒子间的相互作用;在强间断的条件下,则引入非迭代黎曼解来描述粒子间的相互作用。并引入Taylor展开思想,提高了接触算法在自由边界的计算精度。该算法无需引入人为粘性,程序结构简洁。数值计算表明,改进后的接触算法能很好地描述强间断,并有效改善了原始接触算法在自由面的计算缺陷。

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.

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。

三维光滑粒子流体动力学并行计算程序

介绍了基于消息传递并行程序设计平台研制的三维光滑粒子流体动力学并行程序CSPH3D.包括计算格式、并行方案、并行程序逻辑,以及加快邻域粒子搜索的处理方法.对三维微喷射和斜侵彻的计算表明:CSPH3D程序可以较好地计算这类问题.并且程序具有较高的并行效率.对于粒子总数为1 527 402的微喷射算例和粒子总数为1 454 225的斜侵彻算例,使用100个处理器时,并行效率可以达到80%.

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。

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.

破片飞散仿真SPH方法中的初始粒子间距

为了解光滑粒子流体动力学方法数值模拟结果对初始粒子间距的依赖性,更合理地选取初始粒子间距h,选用AUTODYN软件以战斗部爆炸破片飞散仿真为例开展均匀初始粒子间距以及不均匀粒子间距对影响数值模拟的研究;通过定义无量纲参数λ和γ(λ为战斗部壁厚与初始粒子间距之比,γ为战斗部壳体粒子间距与内部TNT粒子间距之比),对不同粒子间距战斗部模型开展相同初始条件下的数值计算,对比分析爆炸破片的速度和数量特性;结果表明:均匀初始粒子间距的选取对仿真结果的准确性影响很大,为保证模拟精度,h的合理取值范围是6<λ<8;选取不均匀粒子间距时,增加γ值对计算精度提高不明显。

基于SPH方法的过闸水流数值模拟

针对过闸水流问题,基于光滑粒子流体动力学方法(SPH),对边界处理方法进行了改进,重新率定了排斥力主要参数,当n1=4、n2=2时,可避免非物理振荡现象的出现;同时,对补水模式进行了比选研究,明确了在最优补水模式为3 m高程差的底孔补水模式,可减少上游水体粒子的净流出。在此基础上,建立了过闸水流冲击下游消力池的数值模型,模拟了过闸水流流出水闸至跃出消力池的过程。结果表明,初始时刻上游水域底部最大压强为127.4 kPa,第7 s时消力池右端断面平均流速为7.07 m/s, 19 s时消力池右端断面平均流速减小到1.4 m/s。可见SPH方法能准确模拟出泄流过程流速压强及流态变化情况。

基于MSPH方法模拟激光对树脂基复合材料的辐照效应

树脂基复合材料在激光辐照下通常会发生复杂的物理化学变化,可能涉及材料热分解、烧蚀、汽化和比较复杂的界面问题。鉴于无网格粒子法在处理大变形、网格畸变和材料烧蚀等问题时有优势,利用改进的光滑粒子方法对激光辐照下复合材料树脂基热解时的三维温度场模型进行数值求解。将数值模拟结果与实验结果进行对比,考察了改进的光滑粒子方法对所考虑问题的适用性。结果表明:改进的光滑粒子方法适合于模拟激光对树脂基复合材料的辐照效应,在激光与物质相互作用领域,该方法也是值得关注的一种数值方法。

基于SPH方法的纤维材料超高速碰撞模拟

利用光滑粒子动力学方法(SPH)建立纤维织构几何模型,以纤维束为对象,结合纤维断裂模型和纤维束本构进行纤维材料的超高速碰撞计算,通过电炮实验获取的复合材料自由面速度历史,结合一系列数值计算,进一步修正基体的失效模型。相对于基于平均化的传统模型,这种反映纤维材料织构的计算模型能够描述冲击响应的局域特征。初步开展了复合防护材料宏观尺度的超高速撞击与破坏过程的动力学模拟,利用模拟结果进行防护性能评估。

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。