基于无网格法的水中气泡上升运动数值模拟

本文对无网格法的一种-移动粒子半隐式法(MPS)进行了较深入的研究,介绍了该方法的基本原理和算法,推导并建立了表面张力和气液两相流等若干粒子作用模型,编程实现了二维情况下水中气泡自由上升运动的数值模拟;对计算结果进行分析并与相关实验结果进行了定性比较,模拟结果显示了移动粒子半隐式法在模拟自由表面和气液两相流问题的优越性,也为研究涉及到大变形的相关问题提供了很好的解决思路.     

弹性力学的重构核粒子边界无单元法

将重构核粒子法(RKPM)和边界积分方程方法结合，提出了一种新的边界积分方程无网格方法——重构核粒子边界无单元法(RKP-BEFM).对弹性力学问题，推导了其重构核粒子边界无单元法的公式，研究其数值积分方案，建立了重构核粒子边界无单元法离散化边界积分方程，并推导了重构核粒子边界无单元法的内点位移和应力积分公式.重构核粒子法形成的形函数具有重构核函数的光滑性，且能再现多项式在插值点的精确值，所以本方法具有更高的精度.最后给出了数值算例，验证了本方法的有效性和正确性. 关键词： 重构核粒子法 弹性力学 边界无单元法     

再生核粒子法在辐射传输无网格计算中的应用

基于光滑粒子动力学(SPH)方法发展起来的再生核粒子法(RKPM)是一种拉格朗日型无网格方法。该方法在处理复杂形体内流动、导热、相变、应力应变等多物理场耦合问题时获得了较广泛的应用,但在辐射传输中的适用性尚无研究。而高温半透明材料的相变过程,除以上多物理过程外还需要考虑辐射传输过程的影响。本文基于建立高温半透明颗粒相变过程光热力耦合过程统一的无网格模拟方法的目的,重点研究了RKPM模拟辐射传输的可行性问题。文中首先建立了辐射强度的RKPM拟合公式,然后建立了辐射传输方程的直接配点离散格式。计算了一维参与性灰介质的无量纲热流和无因次温度分布。通过和文献值对比,初步验证了RKPM能够模拟辐射传输方程,且具有较好的计算精度。     

基于MPS法对亲/疏水孔隙流通特性的研究

本文模拟了液体连续流过平板上一孔隙的过程,通过为平板和孔隙表面设置亲水条件和疏水条件,研究了液体流过亲/疏水孔隙的流通特性。研究表明,在较低的初始速度下,液体通过疏水条件的孔隙所形成的液柱直径小于亲水条件下的液柱直径,疏水条件下,流过孔隙的液柱直径大约与孔隙的最小孔径相等,而亲水条件下,流过孔隙的液柱直径与液体在孔隙下端的浸润范围有关。随着初始速度增加,亲水条件下的浸润范围会逐渐减小,液柱的直径也随之逐渐减小。     

带运动部件的不可压缩流动MPS法数值模拟

本文对移动粒子半隐式法(MPS),一种适用于计算粘性不可压缩流动的全拉格朗日无网格法进行了研究.在原有MPS方法的基础上建立了移动边界作用模型,实现了由于流体中运动部件的平动或转动而引起的流场变化,扩展了MPS方法的应用范围.将计算结果与精确解进行了比较,验证了带运动部件的MPS方法的正确性.同时对十字搅拌器进行了数值模拟,很好地描述了对液体的搅拌过程.为这一类流体机械问题的研究提供了新的数值研究方法.     

弹性力学的复变量无网格局部 Petrov-Galerkin 法

复变量移动最小二乘法构造形函数, 其优点是采用一维基函数建立二维问题的试函数, 使得试函数中所含的待定系数减少, 从而有效提高计算效率. 文章基于复变量移动最小二乘法和局部Petrov-Galerkin弱形式, 采用罚函数法施加边界条件, 推导相应的离散方程, 提出弹性力学的复变量无网格局部Petrov-Galerkin法. 数值算例验证了该方法的有效性.     

搅拌器内部流动的无网格法三维数值模拟

本文将移动粒子半隐式法(MPS)的基本算法由二维扩展至三维。将圆柱坐标系引入到初场粒子的布置中,避免了在笛卡儿坐标系下处理不规则形状(如斜边或曲边)问题时粒子初场布置困难和精确度较低的问题,改善了对计算边界条件表达的精确性。引入移动边界模型,对直叶片搅拌器的内部流动进行了三维数值模拟。还提出了一种新的初始粒子布置简易方法,明显简化粒子初始布置时的复杂程度,提高了对三维复杂几何形状问题的可操作性。     

无网格方法施加本质边界条件的主从自由度法

以SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法为例,把无网格法中的本质边界条件和复合材料界面连续条件视为多点约束(multi-point constraint,MPC),用主从自由度法(master-slave method)来处理.典型的基体-夹杂复合材料的线弹性问题算例结果表明,与罚函数法相比,采用主从自由度法的精度更高,适用范围更广.     

基于声粒子分布积分的无网格声场计算方法

小尺度封闭空间内部声场的数值计算是声学设计、噪声控制等领域的关键技术。由于波动声学及几何声学方法计算频率上的限制,中频段声场计算问题一直是个难点。本文以声学无网格法为基础,提出了一种基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法。文中利用声线跟踪理论计算声场中的声粒子分布,并以某个时间点上的声粒子作为蒙特卡罗法中的积分点,将其应用于无网格法中,从而获得声场中的节点声压。利用该方法对一个矩形封闭空间的中低频声场进行了计算,并与模态叠加法、商用声场计算软件、经典无网格法的结果进行了对比,证明基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法在中低频段相较于传统基于网格的方法具有更高的精度。     

基于MPS法的圆截面液体射流数值模拟

传统网格方法在模拟液体射流流动中的断裂和破碎等液体大变形过程时存在困难,本文引入无网格移动粒子半隐式方法,对圆截面液体射流的复杂非定常流动过程进行数值模拟.基于进口速度边界条件建立了连续进口流动模型,对三类典型的射流流动,即壁面射流、竖直向上自由射流和自由射流碰撞等进行了建模和数值模拟,并对特征流动现象进行定性分析,验证了移动粒子半隐式法对上述射流流动数值计算的正确性,为相关研究提供了一种新的数值方法.     

位势问题改进的无网格局部Petrov-Galerkin法

将滑动Kriging插值法与无网格局部Petrov-Galerkin法相结合,采用Heaviside分段函数作为局部弱形式的权函数,提出改进的无网格局部Petrov-Galerkin法,进一步将这种无网格法应用于位势问题,并推导相应的离散方程.因为滑动Kriging插值法构造的形函数满足Kronecker函数性质,所以本文建立的改进的无网格局部Petrov-Galerkin法可以像有限元法一样直接施加边界条件;由于采用Heaviside分段函数作为局部弱形式的权函数,因此在计算刚度矩阵时只涉及边界积分,而没有区域积分.此外,还对本方法中一些重要参数的选取进行了研究.数值算例表明,本文建立的改进的无网格局部Petrov-Galerkin法具有数值实现简单、计算量小以及方便施加边界条件等优点.     

基于MPS方法的汽泡冷凝与融合特性研究

移动粒子半隐式（Moving Particle Semi-implicit,MPS）数值方法在追踪汽液相界面上较传统网格方法有很大优势,本研究基于MPS方法对过冷水中单个蒸汽泡的冷凝行为进行了数值模拟研究。计算结果与Kamei的实验结果符合较好并表明,汽泡冷凝寿命与汽泡初始尺寸呈近似线性关系,低过冷度下大汽泡的变形会加...     

上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究

本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究.基于势流方法求解气泡的运动,同时考虑气泡的表面张力作用.在伯努利方程中,对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正,开发相应的计算程序,计算值与实验值符合良好.从气泡弹跳的基本现象入手,研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响.发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大,气泡回弹距离和弹跳周期增加,但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性;表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素,气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小,但回弹距离却呈现先增后减的规律;最后,影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.     

无网格等离子体静电模粒子模拟方法

介绍了一种无网格粒子模拟方法:三维快速多极展开方法(3DFMM),对其进行改进以提高精度.在低维粒子模拟中,采用具有低维运动的球粒子模型.模拟了尘埃粒子在背景等离子体中产生的势场,以及等离子体中电子相对于离子运动所引起的不稳定性,并得到合理的物理图象.     

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.     

管道内壁侵蚀形状识别的无网格法研究

本文使用直接配点无网格法结合共轭梯度法对管道内壁面侵蚀状况进行了反演识别。直接配点无网格法使用节点离散求解区域,采用移动最小二乘近似构造试函数,直接配点法构造线性方程组进行导热正问题求解;反演过程采用共轭梯度法使目标函数最小化,Akima三次样条插值将连续的几何边界反演问题转化为离散点几何位置的反演,并最终将这些离散点拟合成为光滑曲线。文中选择两个典型算例对数值方法进行验证,模拟结果表明使用直接配点无网格法结合共轭梯度法进行管道内壁几何边界识别具有较高精度。     

雾化燃烧模拟一体化方法及应用研究

如何模拟液体燃料的雾化、掺混及燃烧过程,一直以来都备受关注。本文试图将无网格MPS(moving particlesemi-implicit rnethod)方法与颗粒轨道模型结合起来描述液体燃料从射流、破碎、雾化、输运全过程,并与基于Euler网格气相方程耦合求解,从而可以获得对雾化燃烧全过程模拟的一体化方法。初步结果显示,其方法和技术路线可行。     

重构核粒子法对光滑粒子法的改进效果

光滑粒子法通过核函数进行近似估计,在计算域边界附近,核估计的精度明显下降.重构核粒子法通过校正函数对核函数进行重新构造,提高核估计方法在边界点和内点上对函数的估计精度以及计算的稳定性.研究发现,虽然校正函数的构造立足于对函数的精确估计,但这个优势同样能在对导数的估计中继续保持.通过理论研究及数学、物理模型的模拟,展示重构核粒子法的改进效果,揭示其能够提高精度的原因.     

基于大涡模拟的移动粒子半隐式算法

移动粒子半隐式方法(MPS)是一种粒子方法,多用于模拟带有自由表面的不可压缩流动。工程实际中的自由表面流动往往是复杂的湍流流动,本文借鉴网格类方法的亚格子应力模型发展了基于Smagorinsky模型的亚粒子应力模型,并将其耦合到MPS方法中,实现了基于大涡模拟的MPS方法并用于研究自由表面湍流问题。为了提高计算的准确性和稳定性,SPS模型中出现的一阶导数项采用最小二乘法拟合得到,SPS项采用显式算法进行计算。使用这一算法模拟了溃坝问题,结果表明,采用亚粒子应力模型的模拟结果与实验的吻合程度明显提高。     

耗散粒子动力学处理复杂固体壁面的一种有效方法

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)作为一种介观尺度拉格朗日型粒子方法,已经成功地应用于微纳米流动和生化科技的研究中.复杂固体壁面的处理和壁面边界条件的实施一直是DPD方法发展及应用的一个障碍.提出了处理复杂固体壁面的一种新的方法.复杂固体区域通过冻结随机分布并且达到平衡状态的DPD粒子代表;所冻结的DPD粒子位于临近流动区域的一个截距内;在靠近固体壁面的流动区域中设置流动反弹层,当流动DPD粒子进入此流动层后反弹回流动区域.应用这种固体壁面处理方法对简单流动区域的Poiseuille流动和复杂多孔介质内的流动进行了分析.研究表明,这种新的固体壁面处理方法能够有效模拟复杂固体区域,准确实施壁面边界条件.