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。     

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.     

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Lagrange及SPH算法的花岗岩侵彻数值模拟

为研究不同算法对弹体侵彻花岗岩模拟的影响,基于仿真分析软件LS-DYNA中的Lagrange算法及SPH(Smooth particle hydrodynamics)算法,采用Lagrange、SPH-Lagrange耦合及SPH算法分别对弹体侵彻、贯穿花岗岩靶体进行数值模拟,并从计算效率、侵彻深度、速度衰减、靶体损伤、Mises应力分布多方面对比模拟结果,分析3种算法用于研究岩石侵彻问题的优势和不足。研究表明:Lagrange算法的计算效率最高,计算精度高,但存在单元畸变、无撞击溅射、无后坑区等问题;SPH算法的计算效率最低,但模拟效果良好;SPH-Lagrange耦合算法兼具二者优势,但会导致应力滞后和应力波不稳定衰减。在大型模拟中应优先选用Lagrange算法和SPH-Lagrange耦合算法。     

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.     

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     

SPH方法在液固撞击数值模拟中的应用

对液滴分别采用光滑粒子流体动力学(SPH)和任意拉格朗日-欧拉(ALE)两种方法模拟液滴高速冲击有机玻璃(PMMA)过程中液滴的变形、固体结构的损伤.结果表明:两种算法中结构表面的损伤情况与Brunton实验数据吻合,证明了数值分析方法的可行性和精确性;此外,对比发现SPH方法模拟液固撞击过程更具有优势.利用SPH方法分析实际工程问题,验证了两种工程处理技术可以有效地提高螺旋桨抗雨水的冲击能力.     

双面爆炸焊接的数值模拟

双面爆炸焊接一次起爆可同时焊接两组复合板,而且使炸药临界厚度显著降低,提高了炸药的能量利用率,解决了爆炸焊接现存的高噪低效问题。借助ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,运用光滑粒子流体动力学方法(SPH)与有限元(FEM)耦合算法,对双面爆炸焊接进行了三维数值模拟,并将模拟结果与实验结果和理论计算结果进行了对比。结果表明,数值模拟结果与实验结果较吻合,且与Deribas的理论计算结果一致性较好,说明Deribas公式和SPH-FEM耦合方法对双面爆炸焊接具有较好的指导意义。     

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.     

风沙运动问题的SPH-FVM耦合方法数值模拟研究

针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足,提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法,并应用于风沙运动过程的数值模拟计算.新方法基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对离散颗粒相进行求解,追踪单颗粒运动轨迹,采用有限体积法(FVM)求解连续气体相,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架.对SPH粒子所承载的物质属性进行了重定义,改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型(SDPH),阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系,推导得到了拟流体SPH离散方程组.模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程,分析了颗粒的运动轨迹,流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等,与实验结果相符合,结果表明该方法不仅精度较高,而且计算量较小,适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.     

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.     

二维管道充填过程的修正SPH模拟

通过施加一种密度初始化方法对传统光滑粒子动力学(SPH)方法进行修正,提出一种修正SPH方法.同时,为了提高边界上数值计算的准确性,提出一种新的固壁边界处理方法.通过修正SPH方法模拟液滴拉伸问题和溃坝问题,验证修正SPH方法的准确性和可靠性.随后,对研究很少的管道充填过程进行修正SPH模拟,并讨论Re对流场及涡的影响.数值结果表明,修正SPH方法能够准确模拟牛顿流体管道充填过程,且流动受Re的影响较大.     

激光辐照柱体铝靶的三维光滑粒子流体动力学仿真

在现有光滑粒子流体动力学方法基础上,提出了结合差分方法处理激光辐照边界条件的方法,并利用此方法自编程序模拟计算了功率密度为5.0109 W/cm2的强连续激光辐照铝靶时的热-力学效应,准确给出了与激光作用的边界粒子的分布和飞散情况,同时给出了不同时刻靶体的温度场,得到了温度分布规律,并对结果进行了分析。     

基于黎曼解的粒子间接触算法在SPH中的应用

 采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法模拟大变形问题具有明显的优点，但传统的SPH方法在模拟冲击波与接触界面的作用时，往往会出现压力的反常跳动。采用黎曼解描述粒子间相互作用的接触算法对传统SPH方法进行修正，计算了激波管和飞片碰撞（包含接触界面）问题中波的传播，并将计算结果与解析解作比较。结果表明，与传统的光滑粒子法相比，该改进的光滑粒子法无需引入人工粘性项和人工热流项，程序结构简洁，且能较好地处理接触界面问题，从而能有效提高计算精度。     

使用AMR型背景网格的并行SPH方法

在分布式并行SPH方法中根据网格范围内粒子最大光滑长度调整网格尺度的AMR（Adaptive Mesh Refinement）背景网格,确保网格内粒子的相邻粒子位于同一个网格或者相邻的同尺寸网格范围内.与统一尺寸的背景网格相比,在光滑长度空间分布不均匀和随时间变化的情况下能够应用并减小搜索量,提高计算效率.数值结果表明,基于AMR型背景网格的并行SPH方法应用到粒子光滑长度变化很大的数值计算时能有效地降低搜索复杂度.     

Double exposure, multiple-field particle image velocimetry for turbulent probability density

A particle image velocimeter method is described in which double exposed fields of particles moving in a two-dimensional slice of a steady turbulent flow are photographed repeatedly to build up a statistical ensemble of flow field realizations on a single photographic plate. Each interrogation spot on the plate contains a sample of the probability density function of the two components of velocity that lie in the photographic object plane, assuming paraxial photography. Theory is developed showing how this sample can be measured by two-dimensional spatial correlation analysis, followed by deconvolution to remove the effects of finite particle image size. The probability density measurements are biased inherently against large velocities, but these effects can be minimized and/or corrected.