平滑粒子流体动力学(SPH)方法的进展

平滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种无网格 Lagrangian 计算技术,在处理一些问题时,比以 Lagrangian 坐标系和 Eulerian 坐标系为基础的常规网格有独特的优越性,特别适用于处理物质质点的流动性极大的问题,如超高速碰撞问题。文章对 SPH 的理论和计算方法做了简单的介绍,并对其发展过程和现状做了简单的回顾。

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。

光滑粒子流体动力学二阶算法精度研究

光滑粒子流体动力学(SPH)由于无需网格生成和拉格朗日特性,对求解带有自由表面和大变形的力学问题有优势。但是该方法存在计算精度不高,计算效率较低等缺点。为此重点对SPH方法的精度提高进行研究。介绍了传统算法的基本公式,根据误差分析指出该算法精度不高的原因,提出了SPH二阶精度算法。通过精度验证分析,证明了该方法的精度的确能够达到二阶。通过二维计算实例,给出传统方法和二阶方法在粒子均匀分布和非均匀分布时函数值以及函数的一、二阶导数的误差分布,证明二阶算法能够克服传统算法的一些缺点,且计算精度有较大提高。

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。

流体动力学作用对粒子聚集影响的布朗动力学模拟

采用布朗动力学模拟方法,研究了流体动力学作用对稀溶液中悬浮粒子聚集过程的影响.模拟中忽略了一个粒子同时与多个粒子碰撞聚集的可能,引入了前人有关两粒子间流体动力学作用影响的研究成果.模拟结果证实了流体动力学的作用在比较大的幅度上减缓了粒子的聚集过程,是导致粒子聚集速率的实验值低于Smoluchowski理论值的重要原因之一.另外,在分别加入和排除重力作用,以及考虑和忽略粒子间流体动力学作用在内的各种条件下模拟了粒子的聚集过程,得到了两种因素相互耦合作用时各因素对粒子聚集过程影响的结果,并从动力学的角度对这些因素的影响机制进行了相应的讨论.

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。

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。

多粒子碰撞动力学方法在计算物理教学中的应用

计算物理课程是安庆师范大学物理学专业的核心课程之一,教学内容涉及物理、数学、计算机等多学科,理论性和交叉性强。文章结合安庆师范大学物理师范认证以及一流本科专业申请对课程建设要求,就教学内容进行了一些改革,以提高教学内容的前瞻性和学生学习的积极性。在计算物理教学中引入新兴的流体计算方法——多粒子碰撞动力学,并结合泊肃叶流的具体例子进行解析。

水体注入器皿的动力学粒子建模研究

基于物理过程的建模方式能够真实地模拟流体的运动状态,表现出很好的模拟效果,但对不同的流体形态以及同一种流体的不同细节状况,所涉及到的细节属性参数也不同,通常存在着较大的建模差异。首先对流体动力学的流体模拟原理进行了分析,在此基础上对水体倒入4种不同形状容器的流体动力学平滑粒子模型进行了研究,提出一种基于分块的邻居粒子搜索方法,以提高在空间均匀网格上对邻居粒子的搜索速度,给出了流体与器皿碰撞的判断与响应方法。最后通过水体注入不同器皿的仿真试验验证了所建立模型的有效性。

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.

基于光滑粒子流体动力学数值仿真方法的武器系统冲击损伤虚拟试验

冲击损伤问题广泛存在于各类武器装备中并严重影响装备使用及寿命,目前针对冲击损伤的虚拟试验研究尚没有普遍适用的基础模型。围绕冲击损伤虚拟试验基础模型构建问题,对光滑流体动力学基本原理及其数值仿真方法在冲击损伤虚拟试验中的应用展开深入论述。构建改进的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)数值计算模型,对物理模型的粒子化处理、材料边界处理等问题进行详细论述。对典型的刚性颗粒冲击铜靶板问题进行仿真计算,验证仿真可靠性和计算准确性,并对刚性颗粒不同棱角接触靶板的损伤情况进行对比分析,以充分说明SPH方法在冲击损伤虚拟试验中的适用性。

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。

离散元与光滑颗粒流体力学耦合方法及应用

磨机尺度极大,采用常规物理相似模拟和物料平衡模型适用性的方法,无法对磨机出料端排矿的动态过程进行观测和开展定量化表征,本文通过耦合离散元方法和光滑粒子流体动力学方法实现基于动态自由面的固液两相流仿真,并应用于量化对比不同磨机衬板机械结构对其排矿效率的影响.通过开展流变仪试验及仿真,确定了反映选定矿浆的流变特性参数及对应数值模拟参数.选取直型及弧型出料端衬板设计,基于所开发的数值模拟进行磨机排矿量及矿浆提升器回流量的量化表征.数值模拟结果表明,弧型出料端衬板的排矿量提升了13.4%,且矿浆提升器回流量降低了93.3%,现场工业试验结果与数值结果误差较小,验证了所开发的数值模拟模型的准确性.

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。

非等温粘弹性流体充模的SPH方法建模探究

充模过程是注塑成型过程中最复杂最重要的阶段。目前充模过程的大部分数值模拟研究都是基于网格类方法,而网格类方法在处理复杂自由面时存在一定的困难。因此,该文对无网格SPH方法在非等温聚合物充模问题中的应用进行了试探性研究。首先阐述了SPH方法在非等温流动模拟方面的发展现状及其存在的问题,然后以粘弹性XPP流体为例,建立了非等温聚合物充模问题的SPH离散模型,最后通过基准算例验证了所建立的非等温粘弹性模型的有效性和准确性。

一种改进的光滑粒子流体动力学前处理方法

为了便于对任意边界形状的计算域快速地布置均匀粒子,提出了一种改进的光滑粒子流体动力学前处理方法.该方法是在2012年Colagrossi等提出的算法基础上进行改进后得到的.Colagrossi等提出的算法能够计算一些简单外形分布比较均匀的粒子.然而当光滑长度与初始粒子间距的比值较大时该方法在计算过程中会出现较强的数值震荡问题,收敛速度慢;而且在计算过程中可能会遭遇流体粒子穿透固体壁面的问题.本文通过引入未知因素修正的平滑粒子动力学模型来提高计算稳定性,并通过对边界附近的流体粒子施加边界力来避免流体粒子穿透固体壁面.算例验证结果表明,利用改进后的光滑粒子流体动力学前处理方法能够快速地对各种边界形状的计算域分布均匀粒子,并且避免了流体粒子穿透固体壁面的问题.

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。

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。