流体与结构相互作用问题的FE-SPH耦合模拟

应用有限元(FE)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合法模拟了具有自由表面的不可压流体与结构的相互作用问题.流体和结构分别采用SPH法和有限元法同时求解,两者在交界面处的相互作用通过接触算法进行处理.为了避免隐式计算压力,通过引入人工压缩率,将不可压流体近似为人工可压缩流体.采用FE-SPH耦合法对弹性板在随时间变化的水压作用下的变形以及倒塌水柱冲击弹性结构两个问题进行了模拟.模拟结果与实验结果以及其他已有数值结果符合良好,说明FE-SPH耦合法用于流体与结构相互作用问题的模拟是可行和有效的.     

入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。     

多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.      

弹丸入水特性的SPH计算模拟

应用SPH方法研究弹丸入水过程中的动力学特征。利用拉格朗日形式的N-S方程自编SPH程序,建立弹丸入水的计算模型,赋予相应的材料参数及状态方程,研究弹丸外形、入水速度和角度等因素对入水过程的影响。模拟结果表明:空化泡的形态及发展规律主要由弹丸的运动姿态决定;弹道越稳定,阻力因数就越小,弹丸的存速就越大。SPH方法具有较强的自适应性,适用于研究弹丸入水的流固耦合问题。     

基于ALE,CEL和SPH方法的球形破片高速冲击充液结构对比研究

为研究ALE,CEL和SPH方法在高速冲击流固耦合动力学数值分析中的差异性,开展球形破片高速冲击充液结构数值模拟研究。建立经文献资料验证的ALE,CEL和SPH三种动力学模型,研究了流体压力变化、形成的空腔尺寸、破片速度衰减变化和充液结构变形等模拟精度,并分析相应的计算成本。结果表明,ALE,CEL和SPH三种方法均能有效模拟破片高速冲击充液结构的流固耦合动力学过程;ALE方法预测的空腔尺寸精度较高;CEL方法预测的流体压力、破片速度衰减和充液结构变形精度较高;SPH方法预测的空腔尺寸、破片速度衰减精度较高;当网格尺寸一致时, SPH方法计算时长约为ALE和CEL方法的两倍,但SPH方法前后处理更加简便。     

气固两相流介尺度LBM-DEM模型

LBM-DEM耦合方法通常是指一种颗粒流体系统直接数值模拟算法,即是一种不引入经验曳力模型的计算方法,颗粒尺寸通常比计算网格的长度大一个量级,颗粒的受力通过表面的粘性力与压力积分获得,其优点是能描述每个颗粒周围的详细流场,产生详细的颗粒-流体相互作用的动力学信息,可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息及两相相互作用的本构关系,但其缺点是计算量巨大,无法应用于真实流化床过程模拟。本文针对气固流化床中的流体以及固体颗粒间的多相流体力学行为,建立了一种稠密气固两相流的介尺度LBMDEM模型,即LBM-DEM耦合的离散颗粒模型,实现在颗粒尺度上流化床的快速离散模拟。该耦合模型采用格子玻尔兹曼方法(LBM)描述气相的流动和传递行为,离散单元法(DEM)用于描述颗粒相的运动,并利用能量最小多尺度(EMMS)曳力解决气固耦合不成熟问题,以提高其模拟精度。通过经典快速流态化的模拟,验证了介尺度LBM-DEM耦合模型的有效性。模拟结果表明介尺度LBM-DEM模型是一种探索实验室规模气固系统的有力手段。     

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.     

多孔介质中流固作用力的动量交换计算

流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域,如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素. 作为一种有效的流体计算方法,格子波尔兹曼方法（lattice Boltzmannmethod,LBM）常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力. 分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程,提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力,并在孔隙尺度下对其进行了验证,结果表明该方法是可行的. 进而将该方法推广到计算表征体元（表征体元）尺度下的流-固相互作用,并对不同雷诺数（Re）下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.      

FORCE EVALUATION USING MOMENTUM-EXCHANGEMETHOD IN POROUS MEDIA

流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域,如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素. 作为一种有效的流体计算方法,格子波尔兹曼方法（lattice Boltzmannmethod,LBM）常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力. 分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程,提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力,并在孔隙尺度下对其进行了验证,结果表明该方法是可行的. 进而将该方法推广到计算表征体元（表征体元）尺度下的流-固相互作用,并对不同雷诺数（Re）下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.     

RESEARCH DEVELOPMENTS OF SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS METHOD AND ITS COUPLING WITH FINITE ELEMENT METHOD

拉格朗日型的有限元法和光滑粒子法在模拟材料大变形问题时各存优缺点, 而有限元与光滑粒子耦合算法实现了在小变形区域采用有限元法计算, 在局部的大变形区域采用光滑粒子法计算, 有效地综合了有限元法计算效率高和光滑粒子法能够自然地模拟材料大变形问题的特点.重点论述了有限元法、光滑粒子法以及有限元与光滑粒子耦合算法的研究现状及应用进展, 并讨论了各方法中需要进一步解决的问题.最后通过算例对3种方法的计算精度和计算效率进行了分析, 供研究人员参考.     

三维自适应FE-SPH耦合算法在多层间隔金属靶侵彻问题中的应用

鉴于有限元算法不能有效地模拟侵彻过程所产生的金属碎片, 本文中基于三维自适应FE-SPH耦合算法的基本理论, 自主开发了模拟多层间隔金属靶侵彻问题的三维FE-SPH耦合计算程序。该程序采用四面体单元对多层间隔金属靶侵彻模型进行初始离散, 计算过程中, 当四面体单元等效塑性应变超过某一设定值时, 单元自动转化为SPH粒子, 并引入有限单元-粒子接触算法和耦合算法, 实现大变形和破碎区域采用SPH方法计算, 克服有限元法单元畸变存在的问题。多层间隔靶侵彻算例分析表明, 三维FE-SPH耦合计算程序采用等效塑性应变作为转化判据计算结果较稳定, 并且能够有效地再现侵彻过程中所产生的碎片, 能够模拟侵彻碎片对后层靶的毁伤效应。     

船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.      

Effect of rock shapes on brittle fracture using Smoothed Particle Hydrodynamics

Breakage of rocks or particulates plays a major role in various industries, such as mineral and ore processing. Many of the processes used for fracturing materials in these industries have the requirement to produce specified size and/or shape of the products. Numerical modelling can assist in understanding and predicting complex fracture processes, and can be used in designing the equipment and setting the process parameters to ensure desired product quality. In this paper, a mesh-free numerical method, called Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), is extended to predict impact fracture of rocks. SPH is a particle based Lagrangian method which is particularly suited to the analysis of fracture due to its capacity to model large deformation and track the free surfaces generated. A continuum damage model is used to predict the fracture of rocks. Evolution of damage is predicted using the strain history of each particle. Damage inhibits the transmission of tensile stress between particles, and once it reaches unity, the particle is unable to transmit tensile stress, resulting in a macro-crack. Connected macro-cracks lead to complete fragmentation.Firstly, an Unconfined Compressive Strength (UCS) test under uniaxial compression of a rock sample is modelled using SPH and compared against experiments to validate the capability of SPH for prediction of fracture in rocks. The SPH prediction matched the well-known experimentally observed diagonal fracture pattern. SPH is subsequently used to simulate brittle fracture of rocks during impact. Rock specimens of different shapes are examined to determine the effects of shape on both the fracture pattern and the energy dissipation during impact fracture. Rock shape is found to have considerable influence on the fracture process, fragment sizes, energy dissipation, and post-fracture motion of the fragments.     

Superquadric DEM-SPH coupling method for interaction between non-spherical granular materials and fluids

The research on the coupling method of non-spherical granular materials and fluids aims to predict the particle–fluid interaction in this study. A coupling method based on superquadric elements is developed to describe the interaction between non-spherical solid particles and fluids. The discrete element method (DEM) and the smoothed particle hydrodynamics (SPH) are adopted to simulate granular materials and fluids. The repulsive force model is adopted to calculate the coupling force and then a contact detection method is established for the interaction between the superquadric element and the fluid particle. The contact detection method captures the shape of superquadric element and calculates the distance from the fluid particle to the surface of superquadric element. Simulation cases focusing on the coupling force model, energy transfer, and large-scale calculations have been implemented to verify the validity of the proposed coupling method. The coupling force model accurately represents the water entry process of a spherical solid particle, and reasonably reflects the difference of solid particles with different shapes. In the water entry process of multiple solid particles, the total energy of the water entry process of multiple solid particles tends to be stable. The collapse process of the partially submerged granular column is simulated and analyzed under different parameters. Therefore, this coupling method is suitable to simulate fluid–particle systems containing solid particles with multiple shapes.     

A corrected symmetric SPH method to simulate viscoelastic free surface flows based on the PTT model

In this work, a corrected symmetric and periodic density reinitialized SPH (CSPDR‐SPH) method is proposed and extended to simulate the viscoelastic free surface flows based on the Phan–Thien–Tanner model. The improvements mainly lie in deriving a corrected symmetric kernel gradient, and combining it with a periodic density reinitialization procedure. In addition, a simple artificial viscosity and a simple artificial stress form are adopted. Thus, the CSPDR‐SPH method has higher accuracy and better stability than the SPH method, and conserves both linear and angular momentums. The consistency and convergence of the CSPDR‐SPH method are justified by approximating a function in one and two dimensions. The merits of CSPDR‐SPH method are demonstrated by several benchmarks. The simple flow in a two‐dimensional channel is investigated to show the capability of the CSPDR‐SPH method to simulate the viscoelastic free surface flow. Then the CSPDR‐SPH method is extended to simulate the impacting drop problem. Numerical results show that the CSPDR‐SPH method can precisely capture the viscoelastic free surface. The Reynolds number, Weissenberg number and elongation parameter have remarkable effect on the flows. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

NUMERICAL SIMULATION OF WIND-BLOWN SAND MOVEMENT BASED ON SPH

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particles hydrodynamics, SPH)方法对沙粒和气流的相互耦合运动特性进行了分析,研究提出了风沙流的SPH数值方法并进行了数值模拟. 首先提出了风沙流的SPH建模方法和基本理论,建立了风沙流动的SPH数值模拟平台. 其次通过建立风沙流的SPH 模型并施加边界条件,对自然风作用下沙粒的运动情况进行了数值模拟,详细分析了沙粒运动轨迹及特性,最后通过与相关研究成果对比分析,验证了完善后的SPH方法有效性. 通过考虑气流场的可变性,在风沙流SPH计算模型中引入了加载(起风)和卸载(停风)方式,观察并对比分析了沙粒的运动轨迹和特性. 为进一步研究风沙流的实时动态非线性行为提供了SPH理论基础和数值分析方法.     

A coupled WC-TL SPH method for simulation of hydroelastic problems

A coupled weakly compressible (WC) and total Lagrangian (TL) smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is developed for simulating hydroelastic problems. The fluid phase is simulated using WCSPH method, while the structural dynamics are solved using TLSPH method. Fluid and solid components of the method are validated separately. A sloshing water tank problem is solved to test the WCSPH method while oscillation of a thin plate and large deformation of a cantilever beam are simulated to test the TLSPH method. After validating each component, the coupled WC-TL SPH scheme is used to simulate two benchmark hydroelastic problems. The first test case shows the evolution of water column with an elastic boundary gate, and the second one investigates the breaking water column impact on elastic structures. The agreement between WC-TL SPH results and literature data shows the ability of the proposed method in simulating hydroelastic phenomena.