光滑粒子动力学方法中粒子分布与数值稳定性分析

光滑粒子动力学(SPH)作为一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用于包括含多相流动界面以及移动边界的可压缩和不可压缩流体运动的研究中.通过对Poiseuille流动的深入研究,探索了SPH方法中粒子分布对计算精度的影响,揭示了一种因为粒子不规则分布而导致的数值不稳定现象.研究显示,这种数值不稳定性起源于SPH方法粒子近似过程中的不连续性.使用了一种新的粒子近似格式以确保SPH方法中粒子近似的连续性.计算结果表明,这种新的粒子近似格式对于规则和不规则的粒子分布都能得到稳定精度的结果.     

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.     

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.     

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     

耦合方法在超高速碰撞数值模拟中的应用

 相比于传统的数值方法，无网格光滑粒子法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）更适合模拟超高速碰撞问题，它能够清晰地模拟材料界面，并且能够克服中网格大变形导致的数值不稳定。然而在SPH方法中，为了得到t时刻一个节点上的物理量，需要先找出与它相互作用的临近节点，导致计算速度很慢，计算所需的时间远远大于有限元方法所需的时间。采用SPH与Lagrange法相耦合的方法对3D超高速碰撞过程进行了模拟研究。计算结果表明：SPH与Lagrange法耦合方法的计算结果与SPH计算结果精度接近，并且能够大大地节省计算时间。     

多孔介质中流体输运的孔尺度SPH模拟

本文采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法[1]对流体流过多孔介质的过程进行数值模拟,方法与程序用经典的Poiseuille流与多孔介质流动的Kozeny解进行了验证.PH进一步用于数值模拟跨膜流动,获得了跨膜流动中速度场随时间的演化过程.多孔膜孔径在1 靘到200 靘范围内,流体跨膜渗透速度的SPH结果与K-K方程的计算值吻合较好.文中还讨论了粒子数目与计算精度的关系.本文的计算结果表明SPH方法具有模拟多孔介质微流动的能力.     

SPH后处理研究

提出一套相对完整的光滑粒子流体动力学(SPH)后处理方法.凸区域和严重变形的非凸区域上的SPH计算结果都可用该方法处理.首先,对SPH粒子集进行Delaunay三角化,可得到由粒子作为节点的三角单元集;根据每个单元中三个节点是否彼此为粒子作用对,决定是否将该单元从单元集中删除.将保留下的单元作为有限单元并利用它们节点上的函数值,根据有限元插值方法即可得单元内部任何一点的函数值.根据该方法,可提取介质的自由表面.数值算例表明方法可行.对含固体壁面、严重粒子飞溅、多重介质互相作用的情况,提出相应对策;为SPH以至其它无网格方法形成较通用的后处理软件提供可行的途径.     

完全变光滑长度SPH法及其实现

提出完全变光滑长度SPH法及其算法实现.方程组基于对称形式核函数近似,SPH密度演化方程与变光滑长度方程隐式关联;在Springel提出的全守恒SPH方程组基础上,通过将分散核近似形式改进为对称核近似形式得到SPH动量方程和能量方程.采用迭代求解密度演化方程和变光滑长度方程,显式求解SPH动量方程和能量方程,增加的计算量相对很少.给出三个1D激波管算例和2D Sedov算例验证方法的有效性.数值结果表明,算法保持动量和能量的守恒律,解决了传统SPH法中由于变光滑长度影响带来的计算误差,且在模拟2DSedov问题时能得到比Springel方法更准确的压强峰值位置和中心压强值.特别适合于模拟爆炸与冲击、大变形大扭曲等密度梯度和光滑长度梯度剧烈变化的问题.     

超高速撞击中影响碎片云形状因素分析

 应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对铝球弹丸正撞击防护屏进行了数值模拟研究，将计算结果同相应的实验结果进行了比较，二者符合得很好。在此基础上分析了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径、材料、弹丸形状、间隙量等因素对碎片云的影响规律。并以碎片云的长度和径向尺寸为指标，应用正交设计方法对撞击速度、防护屏厚度、铝球直径三因素对指标的影响主次关系进行了分析研究，防护屏厚度是碎片云长度的主要影响因素，而弹丸直径是碎片云径向的主要影响因素。     

SPH二阶粒子近似光滑函数的充分条件及数值验证

为实现SPH二阶粒子近似,讨论光滑函数应满足的充分条件,给出对应的光滑函数形式,分析二阶粒子近似解的唯一性,并进行数值验证.结果表明：和标准SPH方法相比,在周期边界条件下,随着粒子数加密,SPH方法二阶粒子近似的L₁误差减小且L₁阶趋近2.0.     

一种有限元-光滑粒子流体动力学耦合算法

介绍一种新的有限元-光滑粒子流体动力学耦合算法.通过将SPH法中的粒子固连到单元边界上实现有限元计算与SPH计算的耦合,粒子可以连接到单元边界上的任意点,且一条单元边界可以与多个粒子连接,耦合界面处粒子分布与单元分布无相互限制.应用该算法模拟应力波传播和高速冲击问题.结果表明,算法在应力波传播计算中具有良好的精度,在高速冲击问题中计算精度与SPH法相近的,而计算效率大大提高.     

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。     

基于弱可压与不可压光滑粒子动力学方法的封闭方腔自然对流数值模拟及算法对比

为了对比研究弱可压光滑粒子动力学(WCSPH)方法和不可压光滑粒子动 力学(ISPH)方法在模拟封闭方腔自然对流问题时的特性, 采用粒子位移技术有效地解决了高瑞利数条件下, 拉格朗日型SPH方法模拟封闭方腔自然对流时流体域内的粒子聚集和空穴问题, 将拉格朗日型SPH 方法求解封闭方腔自然对流问题的最高瑞利数提高到了10⁶; 进而通过对比瑞利数分别为10⁴, 10⁵, 10⁶的条件下, 采用拉格朗日型WCSPH、 拉格朗日型ISPH、欧拉型ISPH三种SPH方法模拟得到的封闭方腔速度分布云图、 温度分布云图、壁面努赛尔特数分布曲线和平均努塞尔特数, 分析了三种SPH方法在模拟封闭方腔自然对流时的精度、稳定性和计算效率. 结果表明: 在低瑞利数条件下, 以上三种SPH方法都可以较好地模拟此问题, 在高瑞利数条件下, 欧拉型ISPH方法的模拟结果最为精确; 拉格朗日型WCSPH方法模拟所得结果比拉格朗日型ISPH方法模拟所得结果稍好些. 关键词： 光滑粒子动力学 不可压光滑粒子动力学 粒子位移技术 自然对流     

光滑粒子流体动力学方法固壁处理的一种新型排斥力模型

与传统网格法相比, 光滑粒子流体动力学方法不能直接施加壁面边界条件, 这就限制了该方法在工程中的应用.为此, 本文基于Galerkin加权余量法并结合传统排斥力方法, 推导出一种新的排斥力公式来施加壁面边界条件.该方法不含未知参数, 能在不减小边界粒子尺寸的情形下有效地防止流体粒子穿透壁面, 同时可避免邻近边界的流体粒子的速度及压力振荡. 分别通过静止液柱算例、液柱坍塌算例、容器中液体静止算例及溃坝算 例来验证本文方法的有效性, 并与传统边界处理方法进行对比, 结果表明: 本文方法克服了传统方法存在的缺陷, 是一种有效的固壁边界处理方法. 关键词： 光滑粒子流体动力学法 固壁边界 排斥力 加权余量法     

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...     

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.     

高速碰撞数值计算中的SPH分区算法

针对高速碰撞问题大变形局部化的特点,提出一种分区计算的光滑粒子法.将整个计算域划分为若干子域,在可能发生大变形的子域布置较多的粒子,其它子域布置较少的粒子.分析子域交界面上产生计算不稳定的原因并提出解决方案.采用该方法对长杆弹侵彻厚靶板问题进行数值模拟,并与传统方法进行对比.结果表明,分区算法在保证计算精度的前提下,能显著提高光滑粒子法的计算效率.     

Simulating coupled dynamics of a rigid-flexible multibody system and compressible fluid

As a subsequent work of previous studies of authors, a new parallel computation approach is proposed to simulate the coupled dynamics of a rigid-flexible multibody system and compressible fluid. In this approach, the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is used to model the compressible fluid, the natural coordinate formulation (NCF) and absolute nodal coordinate formulation (ANCF) are used to model the rigid and flexible bodies, respectively. In order to model the compressible fluid properly and efficiently via SPH method, three measures are taken as follows. The first is to use the Riemann solver to cope with the fluid compressibility, the second is to define virtual particles of SPH to model the dynamic interaction between the fluid and the multibody system, and the third is to impose the boundary conditions of periodical inflow and outflow to reduce the number of SPH particles involved in the computation process. Afterwards, a parallel computation strategy is proposed based on the graphics processing unit (GPU) to detect the neighboring SPH particles and to solve the dynamic equations of SPH particles in order to improve the computation efficiency. Meanwhile, the generalized-alpha algorithm is used to solve the dynamic equations of the multibody system. Finally, four case studies are given to validate the proposed parallel computation approach.     

非等温非牛顿黏性流体流动问题的修正光滑粒子动力学方法模拟

为准确、有效地模拟非等温非牛顿黏性流体的流动问题,本文基于一种不含核导数计算的核梯度修正格式和不可压缩条件给出了一种改进光滑粒子动力学(SPH)离散格式,它较传统SPH离散格式具有较高精度和较好稳定性.同时,为准确地描述温度场的演化过程,建立了非牛顿黏性的SPH温度离散模型.通过对等温Poiseuille流、喷射流和非等温Couette流、4:1收缩流进行模拟,并与其他数值结果作对比,分别验证了改进SPH方法模拟非牛顿黏性流动问题的可靠性和提出的SPH温度离散模型求解非等温流动问题的有效性和准确性.随后,运用改进SPH方法结合SPH温度离散模型对环形腔和C形腔内非等温非牛顿黏性流体的充模过程进行了试探性模拟研究,分析了数值模拟的收敛性,讨论了不同位置处热流参数对温度和流动的影响.     

Multi-resolution technique integrated with smoothed particle element method (SPEM) for modeling fluid-structure interaction problems with free surfaces

Free-surface flows, especially those associated with fluid-structure interactions(FSIs), pose challenging problems in numerical simulations. The authors of this work recently developed a smoothed particle element method(SPEM) to simulate FSIs. In this method, both the fluid and solid regions are initially modeled using a smoothed finite element method(S-FEM) in a Lagrangian frame, whereas the fluid regions undergoing large deformations are adaptively converted into particles and modeled with an improved smoothed particle hydrodynamics(SPH) method. This approach greatly improves computational accuracy and efficiency because of the advantages of the S-FEM in efficiently treating solid/fluid regions showing small deformations and the SPH method in effectively modeling moving interfaces. In this work, we further enhance the efficiency of the SPEM while effectively capturing local fluid information by introducing a multi-resolution technique to the SPEM and developing an effective approach to treat multi-resolution element-particle interfaces. Various numerical examples demonstrate that the multiresolution SPEM can significantly reduce the computational cost relative to the original version with a constant resolution.Moreover, the novel approach is effective in modeling various incompressible flow problems involving FSIs.