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PCISPH的流体粒子飞溅改进方法

流体飞溅是自然界中最常见的流体现象。流体模拟是计算机图形学的一个重要研究分支。流体模拟已经广泛应用于电影、游戏和其他工业数值领域。由于飞溅场景中流体的密度和压力的速率变化非常大,因此模拟对离散化解的精度要求很高。对于流体粒子飞溅模拟数值不稳定,且缺乏真实效果,针对经典的预测校正不可压缩SPH(PCISPH),该文提出了基于粒子表面流体飞溅改进的泊松压力解的方法,通过替换压力源项提高了模拟精度。实验结果表明,该方法中流体的压力分布较之经典方法更接近现实的流体粒子飞溅模拟效果,并且改进后的方法经过剧烈运动后帧率仍符合实时性仿真效果的要求,保证了良好的压力稳定性和真实感。该文通过Anaconda3集成Python3和Taichi环境实现流体仿真实验。

面向光滑粒子流体动力学(SPH)流体的湍流细节模拟

研究基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的恢复涡流和湍流细节的方法,缓解因采用人工黏度而产生的数值耗散.根据由黏性力引起的动能损失率对离散点的涡度进行修正.通过流函数将涡度变化恢复到速度场,避免求解Biot-Savart积分这一耗时过程.该方法基于旋度计算,不仅可以增强现有的涡流,还可在潜在位置产生新的湍流,并且其易于集成到现有SPH方法中.实验证明,该方法可以逼真地模拟湍流细节,并实现不同强度水平的增强效果.

基于光滑粒子流体力学法分析坡高和坡角对边坡破坏特征的影响

在已有的研究中,大多数的边坡失稳问题都是用有限元方法来研究的。然而,边坡失稳破坏往往引起很大的土体变形,而大变形的边坡破坏特征很难使用有限元法来预测。本文采用一种处理大变形和破坏后行为的数值方法-光滑粒子流体力学(SPH)来进行不同坡高和坡角的均质边坡破坏特征分析研究。通过模拟25个不同坡高和坡角的边坡,采用二次曲面拟合出了边坡坡高、坡脚与破坏特征参数滑动距离的关系式,拟合优度R^(2)达99.7%。

光滑质点流体动力学(SPH)及其算法特性

基于Lagrange观点的无网格方法计算是建立在一群可移动的自适应性的质点基础之上,对特大变形区域和自由表面的捕捉有着较高的精度。光滑质点流体动力学(SPH)是无网格方法的一种,本文阐述其理论基础和计算方法,主要包括:SPH的基本概念、核近似和粒子近似的基本原理、核函数的构造方法、SPH形式的流体运动方程、边界处理方法和数值算例等多方面内容。研究工作在了解SPH方法的理论特点和潜在优势的同时,也为相关问题的深入研究和改进奠定了理论和算法基础。

SPH仿真案例在工程流体力学教学中的应用

传统工程流体力学教学模式相对枯燥,学生很难将所学知识直接应用于工程实际.近年来逐渐流行的光滑粒子动力学(SPH)仿真能够很好的分析各类流动现象,且在强非线性流动仿真方面极具优势.利用SPH方法对流体案例进行求解,通过后处理软件呈现流场中的瞬态、稳态及湍流变化,有利于提高学生的学习兴趣,加深知识点理解,提高解决实际问题的能力,有利于支撑工程教育专业认证背景下的课程毕业要求和指标点.

光滑粒子流体动力学方法研究

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法在模拟大变形问题时具有明显的优势,但是由于粒子的不连续性,致使其计算精度较低。文中对光滑粒子流体动力学方法中函数及其一阶导数的核估计进行详细研究。讨论传统的SPH方法和改进的CSPH(corrective smoothed particle hydrodynamics)方法的离散思想,在Taylor展开的基础上引入修正的MSPH(modified smoothed particle hydrodynamics)方法,并推导一维和二维情况下函数的核估计和函数的一阶导数核估计的离散形式。最后通过数值算例,对三种不同的SPH方法的计算精度进行详细比较,结果表明,CSPH和MSPH方法可以极大提高边界粒子的计算精度,在二维情况下,MSPH方法的计算精度要优于CSPH方法。

基于光滑粒子流体动力学法的飞机风挡鸟撞失效破坏模拟

运用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法模拟了鸟撞飞机风挡的过程,鸟体模型采用SPH法建立,风挡模型采用Lagrange法定义,鸟体以515 km/h、562 km/h和600 km/h的速度分别撞击风挡对称线上前1/3点。通过仿真模拟,获取了鸟体撞击风挡的应变、位移、应力曲线,风挡失效损伤演化过程,并与试验结果对比,证明所建鸟撞风挡有限元模型可以准确预测风挡的鸟撞动态响应。研究表明:鸟体撞击风挡对称线前1/3点时,风挡最大变形发生在风挡中间部位;风挡在弯曲作用下首先会在内表面发生失效破坏;撞速为600 km/h的风挡发生失效破坏后,在撞击区域形成多条与风挡对称线呈大约50°夹角的裂纹及少部分横向裂纹。

基于光滑粒子流体动力学方法的溃坝水流模拟

受全球气候变暖的影响,由极端天气引发的类似溃坝等问题发生的概率大大增加,深入研究溃坝水流的水动力特性势在必行。在分析光滑粒子流体动力学基本原理的基础上,提出了一种改进的边界处理方法,即将接近壁面的流体视为层流,在耦合动力边界附近引入层流黏性近似边界层理论。采用该方法对溃坝水流进行数值模拟,将SPH数值模拟得到的外轮廓、自由液面高度以及压力与实验结果进行了比较和分析。结果表明:改进的边界处理方法较完整地得到了水流与壁面相互作用而产生的多种复杂的物理现象,其外部轮廓与实验非常吻合;自由表面融合过程中液面间冲击的能量耗散会导致融合后的液面高度存在一些差异;不同监测点处压力随时间的变化基本落在置信区间之内。数值模拟结果与实验结果吻合度较高,验证了改进方案的可靠性和计算结果的准确性。

基于修正剑桥模型的光滑粒子流体动力学的土柱崩塌模拟

土柱崩塌是一种被广泛研究的岩土大变形模型。考虑非关联流动法则的修正剑桥(MCC)模型描述土体行为;并将其导入光滑粒子流体动力学(SPH)算法来模拟土柱崩塌。在算法设计中,利用有限元方法中常用的中心回映算法来计算应力积分,以提高算法的精度。应用所设计的SPH算法模拟初始高宽比分别为1.5、3和5.5的土柱崩塌模型;并与实验结果比较,表明SPH算法在研究土柱崩塌问题的可靠性。

交互式角色运动特效的光滑粒子流体动力学仿真

长期以来,由于流体仿真和物体变形计算都具有相当程度的复杂性,使得流体与刚体的交互模拟,特别是和带有复杂动画的角色交互的效果,难以达到实时计算和渲染。在此,笔者提出了一个新的方法,用于生成沿着角色运动而产生交互的流体特效。为了实现这类效果的生成,控制流体特效与运动角色的交互,首先针对角色运动轨迹进行跟踪,根据轨迹的几何性质而生成初始状态的流体特效;然后借助光滑流体动力学(SPH)对流体粒子进行仿真。其中针对基于SPH技术的复杂性,流体仿真的过程借助GPU并行计算的能力,采用了一种新的高效粒子搜索算法,最终实现普通用户级个人计算机上实时渲染具有流体运动特征的角色运动特效。

基于光滑粒子流体动力学方法与TANH本构方程的钛合金切屑形态预测

引入TANH本构方程,建立了钛合金切削过程的光滑粒子流体动力学(SPH)方法的切削模型.新模型解决了基于有限元方法(FEM)的传统切削模型经常出现的网格畸变问题,另外利用控制变量法标定出TANH本构方程的修正系数.相较于传统的Johnson-Cook本构模型,该模型将材料的应变软化现象考虑在内,更加准确描述出钛合金在大应变和动态再结晶情况下材料的动态力学性能.同时,新模型很好解释了钛合金切削过程中锯齿形切屑的形成过程与形成机理.实验结果与模拟结果对比显示,基于SPH方法与TANH本构方程的切屑模型可以准确可靠地预测钛合金切屑形态与切削力.

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH),开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型,推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程;借鉴VOF方法(Volume of Fluid)的思想,提出了SPH粒子的液相质量分数的概念,以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟,结果符合D2定律,与理论模型相一致;在强迫对流环境中,液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响,蒸发速率加快;进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明,液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要,液滴间距至少在两倍的液滴直径以上,相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究,拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围,研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。

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.

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。

三维光滑粒子流体动力学程序的并行计算

光滑粒子流体动力学方法，是近20多年来发展起来的一种无网格Lagrange流体动力学算法，它既保留了拉氏计算的描述物质界面准确的优势，又具备欧拉方法的长处，因此适宜计算大变形问题。SPH的基本思想是插值。在SPH方法中，物质被离散为一系列“粒子”，各种宏观物理量（密度、压力速度、内能等）被定义在粒子中心，粒子的物理量及其空间导数可以通过邻近的相互作用粒子的物理量插值得到，这样拉氏流体力学偏微分方程组就变得容易求解，这也是SPH方法实质性优点所在。

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。

基于光滑粒子的流体仿真研究

为了提高流体仿真的效果,设计了一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)理论的流体模型.该模型根据实际粒子物理特性对流体进行建模,提出了一个采用预测松弛方法的流体仿真算法,在仿真过程中直接面向实现,对粒子运动速度进行松弛预测.经仿真实验证明,该模型能够满足流体粒子的物理特性,仿真效果具有真实感和稳定性,方法易于实现,提高了仿真效率.

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SPH方法的电场下液滴动力学数值模拟

建立了适用于电场作用下液滴动力学的光滑粒子流体动力学(SPH)模型,并验证了模型的准确性。运用此模型研究了电场强度对液滴聚并时间的影响。结果表明:电场强度增加,液滴接触时的极化变形程度增加,不利于液滴融合,当电场强度过高时,液滴会发生破碎;当电场强度达到2860 kV/m时,液滴粒子迅速向边壁移动,液滴在其端部向四周扩张之前,已经发生破碎,液滴的破碎时间趋于稳定;当电场强度达到3580 kV/m时,液滴两端受到了更大的电场力,液滴被迅速拉伸变形,液滴从中间部位直接破碎为左右两个子液滴;当液滴直径达到6 mm时,固壁边界抑制液滴变形,液滴的破碎时间迅速上升。