粒子法中自由表面粒子识别

针对移动粒子半隐式法MPS（Moving Particle Semi-implicit Method）基于粒子数密度来判断自由表面会出现将内部粒子误判为自由表面粒子的问题,提出了一种结合几何法和体积法的自由表面粒子判定方法。通过对溃坝问题进行数值模拟,结果表明,全新的自由表面粒子判定方法对流体平稳运动以及剧烈运动两种工况,都能准确地判断出自由表面粒子,解决了基于粒子数密度判断方法因粒子分布稀疏产生误判的问题。[JP2]这种全新的自由表面粒子判定方法对今后采用MPS方法计算两相流问题时,两种介质在界面处的传热传质计算有重要意义。     

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method,MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法,MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题.本研究针对MPS方法中存在的压力振荡现象,首先将实际的物理问题简化为一维模型,并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时,加入了粒子碰撞模型,通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟,结果表明随着碰撞系数的增加,粒子数密度偏差的波动幅度都会减小,从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响,结果表明:采用高斯核函数时,压力振荡的幅度更小,这是因为采用高斯核函数时,相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性,这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动,从而产生压力振荡,因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.     

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method, MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法, MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS 方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题. 本研究针对MPS 方法中存在的压力振荡现象, 首先将实际的物理问题简化为一维模型, 并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS 方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时, 加入了粒子碰撞模型, 通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟, 结果表明随着碰撞系数的增加, 粒子数密度偏差的波动幅度都会减小, 从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响, 结果表明: 采用高斯核函数时, 压力振荡的幅度更小, 这是因为采用高斯核函数时, 相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性, 这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动, 从而产生压力振荡, 因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.      

基于移动粒子半隐式法的表面张力模拟

采用移动粒子半隐式法(MPS)模拟了受表面张力影响的自由面流动。表面张力的计算采取了一种较适合于MPS方法的表面自由能模型。方形液滴振荡和射流断裂的模拟结果分别与理论分析和试验结果一致,同时进行了三维射流注水模拟,从而验证了MPS方法结合该表面张力模型可以有效、方便地进行自由面流动中表面张力现象的模拟。     

溃坝问题的粒子方法模拟

溃坝问题包括水体自由表面变形、翻卷、破碎、复杂的紊流和漩涡,涉及非线性复杂水动力学问题,含有丰富而复杂的流动机理。本文改进了传统的物质点方法,将物质点法从模拟固体问题拓展到了流体问题。采用改进的光滑粒子流体动力学和物质点方法,对两种长宽比的水坝坍塌过程进行了数值模拟,得到了波浪前沿及自由表面顶面随时间的演化过程。计算结果表明,两种粒子方法模拟的水体发展过程与实验结果吻合较好,较VOF更接近实验值。对涌波与竖直壁面的作用进行了计算,结果表明,SPH方法与其它方法相比能更好地捕捉水腔形态。最后分析了两种粒子方法在处理流体大变形问题时的特点以及计算的准确性和精度。     

基于大涡模拟的移动粒子半隐式法研究

将大涡模拟(LES)和无网格的移动粒子半隐式法(MPS)相结合, 以求解湍流中的自由表面问题. 对N-S方程进行滤波计算可得到大涡模拟的控制方程, 大涡模拟的控制方程相对于以往的移动粒子半隐式法而言仅多出雷诺应力项, 通过亚粒子应力(sub-particle-scale,SPS)模型并引入Smagorinsky涡黏模型将雷诺应力模型化, 可实现移动粒子半隐式法的大涡模拟. 将MPS-LES应用至具有大变形自由表面的共振晃荡中, 其模拟结果同实验及其他数值模拟结果都相当接近.      

粒子法中压力振荡问题的研究

传统移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-implicit Method)中一直存在压力振荡问题,针对此问题对MPS方法进行改进。改进的MPS方法,采用一种新型抑制压力振荡的压力泊松方程离散格式;在核函数的选择方面,采用能够增加计算稳定性的二次样条核函数;并且针对MPS方法中粒子插值不完整问题,对粒子插值不完整性进行了修正。应用改进的MPS方法对溃坝问题进行数值模拟验证。结果表明,应用改进的MPS方法能够得到更为光滑的压力场空间分布。对模拟过程中的检测点压力进行采集,并且与实验值进行对比分析,发现改进的MPS方法能够有效地抑制模拟过程中的压力振荡,而且与实验值接近。同时应用改进的MPS方法对静水问题进行验证模拟,发现改进的MPS方法能够有效地抑制模拟过程中的压力振荡,而且监测点的压力与理论解接近。改进的MPS方法对今后应用MPS方法模拟实际工程问题,并且获得准确稳定的压力值有着重要的意义。     

MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit, MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气(liquefied natural gas, LNG)型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度.     

MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit,MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气(liquefiednatural gas, LNG)型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度.      

一种改进的MPS粒子作用模型

从分析角度出发,为移动粒子半隐式法(MPS)提供了一组新的粒子作用模型,该模型在粒子局部坐标系下进行泰勒展开,同步获取各算子的粒子近似式,确保了离散精度的一致性.方法对于随机分布的粒子和边界附近的粒子同样适用.文中利用三个算例对该方法进行了检验,计算结果与分析解符合较好.最后,运用该方法成功模拟了自由面流动的二维溃坝问题.     

激波诱导含灰气体边界层中的粒子分布

本文研究当激波沿着一个固体表面等速地穿越含灰气体运动时所诱导的层流边界层特性。考虑了作用在气体边界层中球形粒子的 Saffman 升力,建议了一种计算近壁区中弥散相密度剖面的方法,并给出了数值计算结果。本文结果表明:在激波后方存在着一个弯曲的薄层区域,其中的粒子密度可以比其波前原始值增加许多倍。这种粒子聚集效应对于工业中粉尘爆炸等实际问题具有重要意义。     

基于数字粒子图像的细水雾全场速度测量

水文通过利用激光片光照明细水雾喷雾场和采用数字成像系统获取了喷雾粒子的运动轨迹图像，进而通过研制相应的图像处理和分析软件，重建了细水雾雾场粒子的速度分布，本方法是直接对流场中的粒子成像。因而测量时无需施加示踪粒子对数字成像系统的图像获取速度要求不高，且在图像数据的分析处理方面不像DPIV技术的互相关算法，对示踪粒子的数密度有一定的限制，因此，本方法可用于不宜添加示踪粒子或流场中粒子数密度较低的喷雾场或其它两相流场中粒子速度场的测量。     

MPS方法数值模拟楔形体入水问题

入水问题是船舶海洋工程中典型的流动问题。当船舶在恶劣海况中航行或海洋平台遭遇恶劣天气时,结构物和水体之间往往会出现剧烈的砰击作用。砰击发生时,伴随着结构物湿表面的变化、自由液面的翻卷和破碎等强非线性现象。本文采用本课题组自主开发的基于移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-Implicit Method)的求解器MLParticle-SJTU对二维楔形体入水问题进行了数值模拟。选取斜升角为30°的楔形体模拟其入水过程,研究了不同粒子布置方式对于计算结果如垂向水动力和自由面变化的影响,并与MLM砰击模型(Modified Logvinovich Model)的结果进行了比较,吻合较好。在此基础上,进一步研究了不同斜升角对计算结果(垂向水动力和自由面变化)的影响,其中流动分离前的垂向水动力与MLM结果相近,表明了MPS方法能有效地模拟入水问题。     

基于光滑粒子流体动力学的滑油泵数值仿真

基于光滑粒子流体动力学方法,构建齿轮泵壳体及内部流体的粒子模型,对内啮合齿轮泵在不同工况下的流量特性进行数值模拟。首先设置了均匀分布的油泵出入口压强,计算得到的流量结果与试验结果吻合,且在中低转速下流量与转速呈线性关系;针对高转速下油泵流量降低的问题,通过适当减小周期模型内部的流体粒子数反映流量降低,获得了与试验值相吻合的连续转速流量的模拟结果;针对影响齿轮泵性能的间隙和空化现象,结合模型特点给出了相应的近似处理方法。通过以上研究,将SPH方法成功地应用于滑油泵问题的分析计算。     

PTT黏弹性流体的光滑粒子动力学方法模拟

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对基于PHan-Thien-Tanner (PTT)模型的黏弹性流动进行了数值模拟. 首先, 利用SPH方法模拟了基于PTT模型的平板 Poiseuille流, 通过与文献结果的比较, 验证了SPH方法模拟黏弹性流动的准确性和有效性; 随后, 基于PTT模型对黏弹性自由表面流-液滴碰撞问题进行了SPH模拟, 研 究了PTT模型中拉伸参数对碰撞过程的影响. 为了解决张力不稳定问题, 采用简化的 人工应力公式. 数值结果表明, SPH方法可有效而灵活地模拟黏弹自由表面流问题.     

应用基于GPU的SPH方法模拟二维楔形体入水砰击问题

光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种无网格的拉格朗日效值方法,广泛应用于计算流体领域模拟复杂自由表面流问题.SPH方法的主要缺点就是计算量过大,而基于GPU的并行计算方法可使SPH计算得到有效加速.本文应用基于GPU的SPH并行计算方法研究了二维楔形体的入水砰击问题.数值计算结果与文献中对应的解析解比较一致,验证了基于GPU的SPH方法的精度和可靠性.仿真结果同时显示基于GPU的并行计算方法可使SPH计算速度得到显著提高.     

光滑粒子法与有限元的耦合算法及其在冲击动力学中的应用

扼要讨论了光滑粒子法的离散思想,充分利用光滑粒子法和有限元方法各自的优点,提出了一种初始时刻用有限元建模,计算过程中大变形单元自动转换为光滑粒子的耦合算法。高速碰撞的系列算例说明,耦合算法不但适宜于计算大变形冲击动力学问题,而且由于集两种方法的优点于一身,可以更高效地模拟一些高速碰撞问题,提高计算效率。     

人工黏性增强三维移动粒子半隐算法稳定性

通过综合比较移动粒子半隐方法(moving-particle semi-implicitmethod, MPS)各种稳定性计算方法, 考虑了多种可能导致计算不稳定的因素, 并首次提出加入人工黏性来抑制非物理压力振荡, 得到了较为稳定的三维MPS算法.采用各种稳定性方案对比模拟了三维立方流体旋转状态下的变形及三维静水压问题, 并进一步与商业软件的流体体积函数方法(volumeof fluid, VOF)模型计算结果对比, 验证了其正确性.结果表明:对三维情形, 单纯应用已有的稳定性算法仍难以满足MPS计算稳定性的要求, 而进一步辅以该文提出的人工黏性方法则可以在准确性及稳定性方面均取得较好的效果, 且计算结果显示, 通过该文提出的开关模式增加人工黏性并不影响压强泊松方程的求解精度, 因而不会对流场的求解产生负面作用.     

高速碰撞数值计算中的SPH自适应粒子分布法

针对传统光滑粒子法在计算高速碰撞问题时会出现近邻粒子逸出核函数影响域而产生数值破坏这一缺陷,提出了一种根据粒子间距变化自动添加、合并粒子的SPH自适应粒子分布算法。采用该方法对Taylor碰撞和超高速碰撞问题进行了数值模拟,结果表明,该方法可以有效地消除计算中出现的数值破坏,提高计算精度。     

MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。