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。

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。

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的高效异构加速

目前,光滑粒子流体动力学方法的GPU加速几乎都是基于简化的Euler控制方程,完整的Navier-Stokes方程的GPU实现非常少,且对其困难、优化策略、加速效果的描述较为模糊.另一方面,CPU-GPU协同方式深刻影响着异构平台的整体效率,GPU加速模型还有待进一步探讨.文中的目的是将自主开发的、基于Navier-Stokes方程的SPH应用程序petaPar在异构平台上进行高效加速.文中首先从数学公式的角度分析了Euler方程和NavierStokes方程的计算特征,并总结了Navier-Stokes方程在GPU加速中面临的困难.由于Euler方程只含有简单的标量和向量计算,是典型的适合GPU的计算密集轻量级kernel;而完整形式的Navier-Stokes方程涉及复杂的材料本构和大量张量计算,需要面对GPU上大kernel带来的系列问题,如访存压力、cache不足、低占用率、寄存器溢出等.文中通过减少粒子属性、提取操作到粒子更新、利用粒子的重用度、最大化GPU占用率等策略对Navier-Stokes方程的粒子交互kernel进行优化,具体实现见5.1节.同时,文中调研了三种GPU加速模型:热点加速、全GPU加速以及对等协同,分析了其开发投入、应用范围、理论加速比等,并深入探讨了对等协同模型的通信优化策略.由于通信粒子的不连续分布,GPU端通信粒子的抽取、插入、删除等操作本质上是对不连续内存的并行操作,会严重影响CPU-GPU的同步效果,而相关文献对此问题没有阐述.我们通过改进粒子索引规则解决此问题:粒子排序时不仅考虑网格编号,还要考虑网格类型,具体实现见5.2.3节.基于Euler方程和Navier-Stokes方程实现并分析了三种GPU加速模型.测试结果显示,三种模型下,Euler方程分别获得了8倍、33倍、36倍的加速,Navier-Stokes方程分别获得了6倍、15倍、20倍的加速.全GPU加速均突破了热点加速的加速比理论上限,对等协同比之全GPU加速又可以获得进一步提高.特别是对于Navier-Stokes方程,采用文中的kernel优化策略及对等协同模型,最终在异构平台上实现了20倍的整体加速.针对Navier-Stokes方程的对等协同版本这一应用范围最广、加速效果最好的实现,在Titan超级计算机的6个和1024个异构计算节点上进行了强、弱可扩展性测试,分别获得了67.1%和75.2%的并行效率.

多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征,适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟.SPH方法模拟多相流已有大量报道,具体的实现方式也大不相同.本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程,以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题.整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式:(1)双流体模型的拉格朗日求解器:两相离散为两组独立SPH粒子,并用显式相间作用耦合两相;(2)多相SPH方法:SPH方法对多相流模拟的自然延伸,相间作用由SPH参数隐式描述;(3)SPH与其他离散方法的耦合:差异较大的两相各自采用不同离散方法,发挥不同拉格朗日方法的优点;(4)SPH和基于网格方法的耦合:网格方法处理简单的单相流动主体,获得精度和效率间的平衡.另外,还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法,并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.

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。

两相光滑粒子流体动力学方法在动床溃坝问题中的应用

光滑粒子流体动力学(SPH)方法采用离散分布的粒子作为离散工具,借助粒子和核函数将场变量及其导数以某种加权求和的方式进行计算,使得该方法更适于处理包含大位移、动边界和自由表面的问题。本文在分析动床条件下的溃坝问题时,以Drunker-Prager准则作为底床颗粒物的侵蚀启动判断条件。满足该条件而发生启动的颗粒物将以非牛顿流体的特征发生运动,即以Herschel-Bulkley-Papanastasiou模型来描述;否则,认为底床颗粒物未启动而保持静止状态。为进一步改进计算结果,采用基于体积比的两相SPH方法描述固液混合体的动力学特征,并基于固液混合颗粒流的动力学特征对混合黏度的计算进行改进。基于上述原理,分析动床条件下的溃坝问题,并将数值计算结果与已有的实验数据进行对比,证明本文提出的混合黏度计算公式改进了数值计算结果。

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。

应用光滑粒子流体动力学方法仿真引信撞击雨滴过程

针对引信防雨机构优化设计需要清晰了解高速撞击雨滴过程的问题,应用光滑粒子流体动力学方法,建立了其与有限元方法耦合数值模型,仿真了弹头引信高速撞击球形雨滴过程。仿真结果与已有试验结果和理论较为吻合,说明该数值分析方法可行、准确。以美国M594引信头部外凸刚性剪切式防雨触发机构为例,仿真了引信高速撞击雨滴过程并得到了相应的机构动态特性。

基于光滑粒子流体动力学方法与GPU并行计算的阶梯流数值模拟

为了更好地模拟分析地下空间阶梯流动力学规律和提升数值计算效率,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH),并借助GPU并行计算技术对地下空间阶梯流进行数值建模和计算。基于GPU并行化加速的SPH地下空间阶梯流模型的数值计算结果表明:该模型不仅计算获得较好的阶梯流流态,而且计算效率大幅度提高,比串行SPH模型和移动粒子半隐方法(MPS)模型快数百倍,为研究大尺度城市街区洪水提供了一个比较有前景的研究途径。

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。

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空间液桥实验实时模拟

针对微重力环境下流体动态模拟的逼真度和效率问题,提出一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的空间液桥实验实时模拟方法。首先,借助计算机图形学和计算几何学的理论基础,结合空间液桥实验装置的三维模型,渲染了虚拟液桥实验的三维场景;其次,基于SPH方法建立液桥无网格的粒子模型,分析粒子在微重力条件下受力的特殊性,结合实验液体的密度、粘滞度等物理特性以及在微重力条件下的动态特性,模拟了空间中随实验操作的液桥形态变化过程;最后,仿真结果表明,该方法实现了微重力条件下液桥实验的实时动态模拟,并可应用于其他空间流体的动态仿真。

基于光滑粒子流体动力学方法的交互式水流加热仿真

针对传统水流加热仿真中交互困难与效率低下的问题,提出一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)的热运动仿真方法,旨在交互式控制水流加热变化过程。首先,基于SPH方法将连续水流粒子化,以粒子群模拟水流的运动,并通过碰撞检测方法将粒子运动限定在容器内;然后,采用第一类边界条件的热传导模型加热水粒子,并根据粒子的温度更新粒子的运动状态,以模拟加热过程中水流的热运动;最后,定义可编辑的系统参数与约束关系,通过人机交互仿真多种条件下水流加热及其运动过程。以太阳能热水器加热仿真为例,通过修改少量参数控制热水器的加热工作验证了SPH方法求解热传导问题时的交互性与高效性,为交互式水流加热在其他虚拟场景的应用提供了便利。

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。

非等温eXtended Pom-Pom泊肃叶流动的光滑粒子流体动力学方法模拟

开展非等温黏弹性泊肃叶流动的光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟,其中流体的黏弹特性依据eXtended Pom-Pom(XPP)本构模型进行建模和计算。推导温度方程的SPH离散格式,并依据时温等效原理考量流体的黏弹特性对温度的依赖。将SPH模拟结果与利用有限体积方法得到的结果进行比较,验证SPH方法模拟非等温XPP泊肃叶流动的准确性和有效性。利用4个不同粒子初始间距进行模拟,讨论SPH方法的数值收敛性。研究温度方程的引入对泊肃叶流动带来的影响。深入分析不同物理参数对流动过程的影响。

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.

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。

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。