修正表面张力算法的SPH方法及其实现

在Morris提出的表面张力SPH方法基础上,通过引入CSPM方法对边界法向的计算和曲率的计算进行修正,得到表面张力修正方程组;通过半圆形算例测试方法和Morris方法在边界定位、法向计算和曲率计算等影响表面张力关键因素的求解精度,研究曲率计算中应采用的光滑长度值.模拟初始方形液滴在表面张力作用下的自然变化过程,并与M...     

光滑粒子流体动力学有限元法接触算法研究

 耦合光滑粒子流体动力学（SPH）方法和有限元法（FEM）,是研究冲击动力学问题的一种有效途径。为解决SPH粒子和有限单元间的接触问题,提出了SPH-FEM接触算法。该算法是在有限元节点处设置背景粒子,采用SPH接触算法的思想,计算施加在SPH粒子和有限元节点上的接触力,并且以外力的形式分别加入到SPH动量方程和有限元动力学方程中。利用SPH-FEM接触算法,对两杆撞击以及圆柱形钢弹正冲击钢板发生的冲塞破坏过程进行了三维数值模拟,靶板采用含损伤的Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程,模拟结果与实验结果吻合较好。     

K2_SPH方法及其对二维非线性水波的模拟

K2_SPH方法通过泰勒级数展开和联立求解积分方程组的办法得到具有二阶精度的核近似方法.随着核近似精度的提高,K2_SPH需要对-些关键数值技术进行改进才能成功模拟非线性水波问题,例如自由表面边界和固壁边界.通过与传统SPH方法计算结果比较,K2_SPH方法在非线性自由表面计算精度和整个粒子系统中有关变量分布都有显著提高.     

液滴溅落问题的光滑粒子动力学模拟

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近似式和粒子近似式进行了修正, 采用Riemann 算法求解光滑粒子动力学流体控制方程, 添加了表面张力的计算程序, 考虑了表面张力对液滴溅落的影响. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴静止状态下冲击液面的飞溅过程进行了数值模拟. 计算结果表明, 改进的光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴溅落液面的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.     

基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟

采用改进的光滑粒子动力学(SPH)方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性, 在传统的SPH方法的基础上对粒子方法中的密度和核梯度进行了修正, 采用了考虑黎曼解法的SPH流体控制方程, 构造了一种新型的粒子间相互作用力(IIF)模型来模拟表面张力的影响. 应用改进的SPH方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 计算结果表明：新型的IIF 模型能够较好地模拟表面张力的影响, 改进的SPH方法能够精细地描述液滴与固壁面相互作用过程中液滴的内部压力场演变和自由面形态变化, 液滴的铺展因子随初始韦伯数的增大而增大, 数值模拟结果与实验得到的结果基本一致. 关键词： 液滴 固壁面 光滑粒子动力学 表面张力     

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.     

球坐标下二维激光驱动内爆的数值模拟

概述了球坐标下二维内爆动力学研究的物理问题和使用的计算方法.讨论了用隐式完全守恒差分格式求解流体力学方程组,用变分原理求解热传导方程等特点.给出了数值模拟的算例,以考查激光不对称性对直接驱动内爆过程的影响.     

基于大密度差多相流SPH方法的二维液滴碰撞数值模拟

该文结合了Ott提出的修正连续性方程和Adami改进的动量方程, 对空气中的液滴碰撞问题进行了二维数值模拟. 为有效提高计算精度, 推导了适用于大密度差多相流的人工黏性和人工应力方程. 通过表面张力作用下方形液滴自然变化和空气中两液滴互溶的算例, 验证了算法的有效性; 对不同韦伯数 (8.8, 19.8)、不同碰撞参数 (0, 0.5)下的液滴碰撞过程进行了数值模拟, 并与VOF方法对比,取得了较为一致的结果; 进一步计算多个韦伯数、多个碰撞参数下的液滴碰撞, 得到了空气中二维液滴碰撞结果分布图,与实验结果相符合. 结果表明, 该算法对于求解涉及大密度差多相流的液滴碰撞破碎问题十分有效,而且该方法容易拓展到三维, 从而为进一步模拟火箭发动机的二次雾化过程奠定了基础. 关键词： 光滑粒子流体动力学 大密度差 多相流 液滴碰撞     

瞬态热传导问题的一阶对称SPH方法模拟

为提高传统光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法模拟瞬态热传导问题的精度和稳定性,本文提出了一种一阶对称光滑粒子动力学(first order symmetric SPH, FO-SSPH)方法.该方法将具有二阶热传导方程分解成两个一阶偏微分方程,然后基于梯度离散和Taylor级数展开思想,对一阶核梯度形式进行修正,并将得到的局部矩阵对称化.数值结果表明:与传统SPH方法相比,FO-SSPH方法精度高、数值稳定性好; 该方法能较准确地直接施加混合边值 关键词： 瞬态热传导 光滑粒子动力学 非线性     

等直径微液滴碰撞过程的改进光滑粒子动力学模拟

运用一种改进光滑粒子动力学(SPH)方法模拟了相溶和不相溶两种情况下的等直径微液滴碰撞动力学过程. 为提高传统SPH方法的数值精度和稳定性, 采用一种不涉及核导数计算的核梯度改进形式; 为处理液滴界面张力采用修正的van der Waals表面张力模型. 通过模拟牛顿液滴碰撞聚并变形过程并与相关文献或试验结果进行对比, 验证了改进SPH 方法模拟微液滴碰撞过程的可靠性. 随后, 研究了基于van der Waals模型相溶聚合物微液滴碰撞聚并变形过程及不相溶微液滴碰撞后的反弹、分离过程, 讨论了碰撞过程中碰撞速度、碰撞角度、密度比等参数对碰撞变形过程的影响, 分析了流体桥、旋转角度等因素的变化情况. 关键词： 光滑粒子动力学 微液滴 聚合物液滴 碰撞     

An adaptive SPH method for strong shocks

We propose an alternative SPH scheme to usual SPH Godunov-type methods for simulating supersonic compressible flows with sharp discontinuities. The method relies on an adaptive density kernel estimation (ADKE) algorithm, which allows the width of the kernel interpolant to vary locally in space and time so that the minimum necessary smoothing is applied in regions of low density. We have performed a von Neumann stability analysis of the SPH equations for an ideal gas and derived the corresponding dispersion relation in terms of the local width of the kernel. Solution of the dispersion relation in the short wavelength limit shows that stability is achieved for a wide range of the ADKE parameters. Application of the method to high Mach number shocks confirms the predictions of the linear analysis. Examples of the resolving power of the method are given for a set of difficult problems, involving the collision of two strong shocks, the strong shock-tube test, and the interaction of two blast waves.     

SPH核函数光滑长度最优选取和自适应准则研究

基于小波分析理论和RKPM再生核函数研究无网格方法SPH中多尺度诊断工具,多尺度再生核函数使得数值计算在不同尺度上的响应分离,并通过动态伸缩窗函数给出计算域不同位置的时频特性,实现在无网格体系下构造网格计算方法的“自适应网格”,从而达到对不同流场位置多分辨率分析的目的.利用多尺度诊断工具中的小波分解算法给出SPH核函数在频域内能量残差估计,发展一种核函数光滑长度最优选取准则.最后,基于可压缩流场激波稀疏波共存的现象,针对传统的光滑长度自适应的缺陷,构造一种避免数值计算“拖尾”现象的自适应准则.     

黏性液滴变形过程的核梯度修正光滑粒子动力学模拟

本文提出了一种核梯度改进光滑粒子动力学(KGC-SPH)方法,模拟了黏性液滴形变自由表面问题.首先,通过模拟等温黏性液滴拉伸和旋转变形,验证了KGC-SPH法较SPH法具有较高精度和更好稳定性,且能很好地保持总角动量守恒.其次,基于非等温van der Waals模型对平衡态圆形液滴的形成过程进行数值研究,观察到小幅度振荡现象,并给出了一种新的克服张力不稳定性的方法和一种适合KGC-SPH方法的新的表面张力处理技术.最后,研究了van der Waals液滴的周期性振荡现象,讨论了初始椭圆形液滴长短半轴比 关键词： 光滑粒子动力学 黏性液滴 van der Waals模型 表面张力     

光滑质点流体动力学(SPH)方法(综述)

综合介绍了一种新的纯(Lagrangian方法——光滑质点流体动力学(SPH)方法,由于它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的麻烦,它对非对称的和内含真空区域的三维问题特别有效。重点介绍了该方法的理论基础,流体动力学方程组的推导,人为粘性和热传导,自引力、汇和磁场,光滑核的选取,以及SPH执行过程等有关问题     

瑞利-泰勒不稳定问题的光滑粒子法模拟研究

提出了一种适用于模拟多相流的光滑粒子法,该方法对密度方程在交界面处的离散格式进行了修正以适应多相流所涉及的大密度比问题,在不同相粒子之间施加了很小的排斥力以防止粒子穿透交界面,并采用了最新发展的双曲型光滑函数以消除应力不稳定问题.应用该多相流光滑粒子法模拟研究了单模态和多模态瑞利-泰勒不稳定问题.通过与文献中结果的对比研究表明:在模拟瑞利-泰勒不稳定问题时,本文方法的结果明显优于文献中的大部分光滑粒子法模拟结果,与Grenier等(2009 J.Comput.Phys.228 8380)的结果相当,但本文方法比Grenier等的方法简单方便.对于单模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面的形态,涡结构的演化过程以及贯穿深度随时间的变化关系.对于多模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面演化过程中小尺度结构合并成大尺度结构的过程,水平方向的平均密度随高度的变化关系,以及贯穿深度随时间的变化关系.     

一种基于MOF界面重构的二维中心型MMALE方法

发展了一种基于MOF（Moment of Fluid）界面重构的二维中心型MMALE（Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法.其中,流体力学方程组采用中心型拉氏方法进行离散求解.混合网格的热力学封闭采用Tipton压力松弛模型.混合网格内的界面重构采用MOF方法,并对MOF方法作了简化和改进.重映步采用一种基于多边形剪裁算法的精确积分守恒重映方法.计算了若干数值例子,包括二维漩涡发展问题、Sedov问题、激波与氦气泡相互作用问题、水中强激波与空气泡相互作用问题、二维RT不稳定性问题等.数值算例表明,该方法具有二阶精度,能够计算界面两侧密度比和压力比很大的问题,并且其健壮性优于交错型MMALE方法,适合计算多介质复杂流体动力学问题.     

Three-dimensional modelling of dissipative quantum transport in quantum dots and atomistic scale devices using nonHermitian generalized potentials

In this paper we introduce a phenomenology for inserting dissipation into the single-particle Schrödinger equation for carrier transport by utilizing appropriate nonHermitian additions to the Hamiltonian. The nonHermitian terms are determined by incorporating model particle trapping/de-trapping, momentum gain/loss, energy gain/loss into the quantum continuity equations derived within the Bohm picture and then reconstructing the full Hamiltonian by reversing the Bohm projection. The new phenomenology is designed to obtain quantum velocity flows using the Bohm projection of solutions to the nonHermitian Schrödinger equation for applications in 2D and 3D quantum dots and mesoscopic MOSFETs. For this purpose we introduce a novel fast algorithm to compute the wave function in 2D and 3D based on a two time step iteration and direct integration.