一种新型光滑粒子动力学固壁边界施加模型

由于Lagrange粒子法的本质, 固壁边界条件的施加一直是光滑粒子动力学方法的难点之一. 本文从固壁边界的物理原理出发, 应用多层虚粒子表征固壁边界, 提出了一种新型固壁边界施加模型. 将虚粒子看作流体的扩展, 计算中虚粒子密度保持不变, 压力、速度等参数通过对流体粒子的插值获得, 虚粒子有条件的参与控制方程的计算, 对流体的密度/压力产生影响, 通过压力梯度隐式地表征壁面与流体之间的作用强度并对流体粒子施加沿壁面法线方向的斥力作用, 防止流体粒子对壁面的穿透. 数值算例测试结果表明, 与现有固壁边界施加方法相比, 本文方法更加符合流体与固壁边界作用的物理原理, 可以简单、有效地施加固壁边界条件, 方便地应用于具有复杂几何边界的问题, 获得稳定的流场形态、规则的粒子秩序及良好的速度、压力等参量的分布.     

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.     

一种改进的光滑粒子流体动力学前处理方法

为了便于对任意边界形状的计算域快速地布置均匀粒子,提出了一种改进的光滑粒子流体动力学前处理方法.该方法是在2012年Colagrossi等提出的算法基础上进行改进后得到的.Colagrossi等提出的算法能够计算一些简单外形分布比较均匀的粒子.然而当光滑长度与初始粒子间距的比值较大时该方法在计算过程中会出现较强的数值震荡问题,收敛速度慢;而且在计算过程中可能会遭遇流体粒子穿透固体壁面的问题.本文通过引入未知因素修正的平滑粒子动力学模型来提高计算稳定性,并通过对边界附近的流体粒子施加边界力来避免流体粒子穿透固体壁面.算例验证结果表明,利用改进后的光滑粒子流体动力学前处理方法能够快速地对各种边界形状的计算域分布均匀粒子,并且避免了流体粒子穿透固体壁面的问题.     

耗散粒子动力学中施加无滑移边界条件的新方法

在耗散粒子动力学(DPD)中施加无滑移边界条件是较困难的,本文提出了一种新的处理方法来实现无滑移边界条件.通过选取合适的壁面与流体粒子之间的保守力系数可以控制近壁面区的粒子数,从而可以使密度波动降低至极小值,实现无滑移边界条件.通过该方法模拟泊肃叶流动求得的流体性质与通过使用Lees-Edwards边界条件模拟剪切流动所求得的流体性质一致,证明了该方法的可靠性.     

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.     

相同尺度下气泡与复杂壁面的耦合特性研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)建立了气液固三相耦合的动力学模型,研究了相同尺度下上浮气泡与复杂壁面的相互耦合作用.首先,基于黏性流体理论,通过构建一组格子Boltzmann(LB)方程来描述气液两相的运动,并以LB离散体积力的形式计入了黏性力、表面张力和重力.同时,采用LBM中的Half-way反弹模型与有限差分格式相结合的方式进行固壁边界的处理.然后,利用本文建立的模型,对不同特征尺寸比条件下,气泡与考虑边缘效应的平面固壁和曲面固壁的耦合特性进行了研究.研究发现固壁边界条件以及特征尺寸比对气泡的运动和拓扑结构的变化都具有明显的非线性影响.最后,研究了流体属性对气泡与复杂壁面耦合规律的影响.     

SPH方法气-液界面边界条件研究

针对界面附近粒子光滑函数截断和非物理穿透问题,提出一种气-液界面边界条件的处理方法.当界面附近支持域出现不同材料粒子,每步计算可在支持域设置虚粒子,按照密度分配方法给虚粒子物理量赋值,并对界面附近粒子引入气-液两相阻力.采用SPH方法和Level-Set方法,计算运动激波对气-液界面作用问题,两者计算结果一致,初步验证了气-液界面边界条件处理的适用性.用SPH方法分别计算超声速气流中的圆截面液柱绕流和下落问题,界面两侧粒子压力和法向速度连续,给出弓形激波、回流区和下游回流区等定性合理结果.表明本文方法可适度避免界面附近流体粒子光滑截断和粒子非物理穿透现象、界面附近流场数值振荡.     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

适用复杂几何壁面的耗散粒子动力学边界条件

耗散粒子动力学(DPD)是一种针对介观流体的高效的粒子模拟方法,经过二十多年发展已经在诸如聚合物、红细胞、液滴浸润性等方面有了很多研究应用.但是因为其边界处理手段的不完善,耗散粒子动力学模拟仍局限于相对简单的几何边界问题中.本文提出一种能自适应各种复杂几何边界的处理方法,并能同时满足三大边界要求:流体粒子不穿透壁面、边界处速度无滑移、边界处密度和温度波动小.具体地,通过给每个壁面粒子赋予一个新的矢量属性—局部壁面法向量,该属性通过加权计算周围壁面粒子的位置得到;然后通过定义周围固体占比概念,仅提取固体壁面的表层粒子参与模拟计算,减少了模拟中无效的粒子;最后在运行中,实时计算每个流体粒子周围固体粒子占比,判断是否进入固体壁面内,如果进入则修正速度和位置.我们将这种方法应用于Poiseuille流动,验证了该方法符合各项要求,随后还在复杂血管网络和结构化固体壁面上展示了该边界处理方法的应用.这种方法使得DPD模拟不再局限于简单函数描述的壁面曲线,而是可以直接从各种设计图纸和实验扫描影像中提取壁面,极大地拓展了DPD的应用范围.     

无网格粒子法壁面边界特性研究

针对无网格粒子法下的离散壁面边界,通过基于粒子数密度的机理分析,证明了离散数值边界与真实边界之间存在差异。分别在二维和三维尺度下,通过计算并分析典型情况下近壁面零散流体粒子的运动轨迹,验证了该差异的存在并展示了壁面对流动产生影响的方式和相关现象。结果表明,数值壁面边界未能完全准确描述真实物理边界,壁面对流体的影响区域并非完全非光滑平顺,这对近壁面流动尤其是低速零散流体粒子会产生一定影响。     

改进的物理粘性SPH方法及其在溃坝问题中的应用

在低雷诺数物理粘性SPH方法基础上引入再生核粒子法进行密度重构,既避免了用人工粘性所导致的数值耗散问题,又提高了低雷诺数物理粘性SPH方法的数值稳定性;以溃坝问题为例,对比分析低雷诺数物理粘性SPH方法和本文方法的仿真结果表明,本文方法可有效消除数值不稳定,压强和速度分布更加光滑,粒子秩序更好,可应用于雷诺数较高或粘性不可忽略的流动问题.     

基于SPH方法的瞬态粘弹性流体的数值模拟

运用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法模拟基于Oldroyd-B模型的平面突然起动Couette流,通过数值解与解析解的比较,验证SPH方法模拟瞬态粘弹性流动的准确性;且对基于Oldroyd-B模型的方腔驱动流进行SPH模拟.采用一种新的固壁边界处理方法,有效地防止了粒子穿透,提高数值计算的准确性.用数值算例验证SPH方法对粘弹性流体模拟的有效性和稳定性.     

溃坝流的光滑粒子法模拟

用光滑粒子法模拟几种情况的溃坝流动,对坝外无水和有水的情况进行二维模拟,对坝外有立柱的情况进行三维模拟.流动控制方程采用雷诺平均方程模拟溃坝流动的湍流效应,采用混合长度形式的涡粘模式对控制方程进行封闭,推导其相应的光滑粒子形式的方程.模拟结果表明,数值模拟的流动特征与实验结果符合得非常好,说明发展的光滑粒子法有效.     

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.     

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.     

瑞利-泰勒不稳定问题的光滑粒子法模拟研究

提出了一种适用于模拟多相流的光滑粒子法,该方法对密度方程在交界面处的离散格式进行了修正以适应多相流所涉及的大密度比问题,在不同相粒子之间施加了很小的排斥力以防止粒子穿透交界面,并采用了最新发展的双曲型光滑函数以消除应力不稳定问题.应用该多相流光滑粒子法模拟研究了单模态和多模态瑞利-泰勒不稳定问题.通过与文献中结果的对比研究表明:在模拟瑞利-泰勒不稳定问题时,本文方法的结果明显优于文献中的大部分光滑粒子法模拟结果,与Grenier等(2009 J.Comput.Phys.228 8380)的结果相当,但本文方法比Grenier等的方法简单方便.对于单模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面的形态,涡结构的演化过程以及贯穿深度随时间的变化关系.对于多模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面演化过程中小尺度结构合并成大尺度结构的过程,水平方向的平均密度随高度的变化关系,以及贯穿深度随时间的变化关系.     

A generalized wall boundary condition for smoothed particle hydrodynamics

In this paper we present a new formulation of the boundary condition at static and moving solid walls in SPH simulations. Our general approach is both applicable to two and three dimensions and is very simple compared to previous wall boundary formulations. Based on a local force balance between wall and fluid particles we apply a pressure boundary condition on the solid particles to prevent wall penetration. This method can handle sharp corners and complex geometries as is demonstrated with several examples. A validation shows that we recover hydrostatic equilibrium conditions in a static tank, and a comparison of the classical dam break simulation with state-of-the-art results in literature shows good agreement. We simulate various problems such as the flow around a cylinder and the backward facing step at Re = 100 to demonstrate the general applicability of this new method.