基于SPH方法的表面张力修正算法及其应用

针对传统SPEI方法中基于CSF模型的表面张力算法,在计算边界、尖角等粒子缺失部位的曲率时存在偏差较大,且粒子秩序较差,对大变形问题表面张力计算精度较低的问题,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,得到了表面张力修正方程组.应用本文方法模拟了水溶液中初始...     

混凝土薄板侵彻贯穿问题的SPH数值模拟

随着混凝土结构强度的不断提高,越来越多的防护工事选择混凝土作为主要建筑材料。在光滑粒子流体动力学方法的基础上,提出了TCK-HJC复合本构模型,对锥形弹刚性侵彻过程中混凝土薄板的变形损伤进行数值模拟,采用拟流体模型处理失效的混凝土碎片,分析了不同侵彻角(0°,60°)下锥形弹侵彻混凝土薄板的变形过程,得到了薄板的压力分布以及失效混凝土碎片的飞散角度,并与实验进行对比。结果表明,数值模拟方法是合理的,为进一步研究脆性材料的力学性能奠定了技术基础。     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

道路交通的流体物理模型与粒子仿真方法

针对受多种因素影响的复杂道路交通系统问题,基于颗粒动力学理论,结合传统的Lighthill-WhithamRichards物理模型,建立道路交通系统的流体物理模型,采用无网格粒子与网格相结合的方法进行数值仿真,并应用于典型道路交通问题的求解.在新模型中,将车辆比拟为硬颗粒,车辆的跟车比拟为颗粒间的碰撞相互作用,已知道路情况对驾驶员操作车辆的影响比拟为流-粒两相系统中的外部流体驱动力作用,不同车道间车辆的影响比拟为颗粒间的黏性作用,从而在颗粒动力学理论的基础上,推导建立了道路交通系统拟流体模型;引入光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)对车辆系统模型进行离散,建立"SDPH车辆"与真实车辆之间的一一对应关系,再结合有限体积方法,对道路交通构建的双流体模型进行求解,建立求解交通流体物理模型的新型仿真方法.最后,采用所建立的模型和方法对车辆汇入以及机非混合对交通系统的影响过程进行了数值仿真,所得结果与实测值符合较好,表明新的模型和方法有效性好、可靠性高,为道路交通问题的解决提供了一条全新的途径.     

基于SPH-FEM耦合方法的柔性导爆索分离装置爆炸分离过程数值模拟

为深入研究柔性导爆索在爆炸分离装置中的作用过程和机理,提出一种改进的光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）与有限单元法（ finite element method, FEM）耦合算法。新方法中不仅包含导爆索模拟的SPH方法与分离装置模拟的FEM方法之间的接触算法,同时将完全损伤失效后的单元采用转化算法动态转化成SPH粒子继续参与计算,转化后的粒子与未转化的有限单元之间采用接触算法计算。采用该方法对环型和平板型两种爆炸分离结构的分离过程进行了数值模拟,验证了新方法的准确性与问题适用性;分析了分离板的变形断裂及损伤碎片的飞溅过程,得到了分离装置表面不同时刻的应力分布、损伤因子的变化趋势、von Mises应力的变化趋势;探讨了炸药在不同比内能情况下单元的屈服损伤速度、碎片的飞溅位移速度。     

基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟

随着高强度、高抗冲击特性钢结构在防护装甲、武器库防护门等军事领域得到广泛应用,钢结构的抗冲击性能成为研究的重点和热点。采用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对半球头弹撞击多层钢板的过程进行了数值模拟,并与实验对比,分析了半球头弹撞击后钢板的失效形式,得到了撞击点处钢板盘式隆起、蝶形破坏等过程,得到了钢板的von Mises应力分布以及半球头弹的剩余速度,验证了SPH方法在模拟钢板侵彻变形问题上的有效性。通过数值模拟,研究了钢体层数、钢体厚度对其抗侵彻特性的影响,研究表明:3mm时单层钢板比多层钢板的防护能力强,9mm时多层钢板比单层钢板的防护能力强,12mm时多层钢板和单层钢板的防护能力相当。     

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     

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.     

液滴在气固交界面变形移动问题的光滑粒子流体动力学模拟

为准确模拟液滴在气固交界面变形移动问题,对基于连续表面张力模型的表面张力光滑粒子流体动力学方法进行了改进.改进方法采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,即将固体边界虚粒子色函数值根据液面的位置进行相应设定以保证气-液-固三相交界处流体粒子的界面法向沿接触线法线方向,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,对在气-液-固三相交界处的流体粒子及部分固体边界虚粒子的界面法向进行修正,修正前后保持法向模值不变,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法.模拟了受壁面附着力影响的水槽中液面的变化过程、液滴润湿壁面过程和剪切气流驱动液滴在固体表面变形脱落过程,并与流体体积函数方法进行了对比.结果表明,该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中液滴在气固交界面变形移动问题.     

燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.