SPH方法的运动边界条件研究Research on the moving boundary condition in SPH method

提出一种设置运动边界条件的方法,研究边界附近流体粒子积分截断和非物理穿透边界的问题。边界外的虚粒子在每个时间步由边界附近流体粒子对称生成,赋予相应的物理量,并在虚粒子中引入排斥力,利用拉格朗日形式的N‐S方程自编SPH程序,参考一维激波管的精确解验证边界方法的适用性,研究运动边界条件在计算模型中应用。激波管的模拟结果与精确解基本一致,且在运动边界模型中也计算获得合理的结果。文中提出的运动边界条件,避免了边界附近流体粒子积分截断问题,阻止流体粒子在边界处发生非物理穿透的现象。     

非稳态Couette流动阶段的边界位移与黏性能量耗散

本文研究了牛顿流体非稳态Couette流动阶段的边界位移与流体黏性摩擦能耗.在上边界始终保持静止,下边界以恒定速度或恒定内壁剪切应力突然运动的情况下,建立了Couette非稳态流动的数学模型.求解定解问题,获得流体速度分布函数;通过渐近分析,获得不同边界条件下流动充分发展的临界时间,进而获得非稳态过程中的边界位移量.利用边界剪切应力和位移量的结果,计算非稳态过程中移动平板做功;再结合流体动能增加量,计算得出不同边界条件下非稳态流动阶段流体黏性摩擦能耗.     

一种强耦合预估-校正浸入边界法

为克服传统浸入边界法的质量不守恒缺陷,提出了一种用于可压缩流固耦合问题的强耦合预估-校正浸入边界法。通过阐述一般流固耦合系统的矩阵表示,推导了流固耦合系统的强耦合Gauss-Seidel迭代格式,进一步导出预估-校正格式,提出了预估-校正浸入边界法。该方法使用无耦合边界模型对流体进行预估,将流固耦合边界视为自由面,固体原本占据的空间初始化为零质量的单元,允许流体自由穿过耦合边界。对于流体的计算,使用带有minmod限制器的二阶MUSCL有限体积格式和基于Zha-Bilgen分裂的AUSM+-up方法,配合三阶Runge-Kutta格式推进时间步。在校正步骤中,通过一组质量守恒的输运规则来实现输运过程。输运算法可概括为将边界内侧的流体进行标记,根据标记顺序以均匀方式分割和移动流体,产生一个指向边界外侧的流动,最后在边界附近施加速度校正保证无滑移条件。标记和输运算法避免了繁琐的对截断单元的几何处理,确保了算法易于实现。对于固体的计算,分别采用一阶差分格式和隐式动力学有限元格式求解刚体和线弹性体,并利用高斯积分获得固体表面的耦合力。使用预估-校正浸入边界法计算了一维问题和二维问题。在一维活塞问题中,获得了压力分布、相对质量历史和误差曲线,并与其他方法进行了对比。在二维的激波冲击平板问题中,获得了数值模拟纹影和平板结构的挠度历史,并与实验结果进行了对比。研究表明,该方法区别于传统的虚拟网格方法和截断单元方法,能够精确地维持流场的质量守恒并易于实现,且具有一阶收敛精度,能够较准确地预测激波绕射后的流场以及平板在激波作用下的挠度,为开发流固耦合算法提供了一种新的思路。     

求解位势问题的虚边界元法

本文提出了求解位势问题的虚边界元法，建立了位势问题的虚边界元的离散方程式，推导了离散化求系数的积分解析式。该方法与传统边界元法相比具有不存在奇异积分和边界附近精度较高等优点，可用来计算真空静电场，稳定温度场，流体绕流，介质中的渗流等各类位势问题，大量算例均获得了满意的结果。     

求解位势问题的虚边界元法

本文提出了求解位势问题的虚边界元法，建立了位势问题的虚边界元的离散方程式，推导了离散化求系数的积分解析式。该方法与传统边界元法相比具有不存在奇异积分和边界附近精度较高等优点，可用来计算真空静电场、稳定温度场、流体绕流、介质中的渗流等各类位势问题。大量算例均获得了满意的结果。     

各向异性柱体扭转的充分必要的边界积分方程

本文列出各向异性柱体扭转问题无量纲化后的有关方程的边界条件推导和验证了基本解，并指出一些书中基本解列式有误＾［９－１１］，列出了充分必要的边界积分方 程，进行了数据计算，并与习用的边界积分方程所得结果进行了比较，表明在退化值附近，习用的边界积分方程所得的边界剪应力会出现巨大的误差，扭转刚度的误差则要小得多，而充要的边界积分方程计算的结果则如终保持良好的精度，再次显示了它的优点。     

薄板弯曲问题的虚边界元-最小二乘法

本文提出求解任意形状的薄板弯曲问题的虚边界元-最小二乘法。本法首先利用薄板弯曲平衡方程的格林函数和离开实际边界上分布的未知的横向荷载和法向弯矩函数建立满足实际边界条件的积分方程;然后采用最小二乘法和沿虚边界分段离散化的待定的分布横向荷载和法向弯矩函数得到求上述积分方程离散化数值解的线性代数方程组。导出了一系列的数值积分的公式,并求解了许多例题,数值结果说明本法完全避免了奇异积分及其复杂的处理方法和耗时的运算,而且在边界及其附近区域解的精度比普通边界元(以后简称边界元)法大大地提高了。     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

空气自由场中强爆炸冲击波传播二维数值模拟

编写了适用于模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维柱对称多介质流体计算程序。利用有限体积方法求解流体的Euler方程组,采用level set方法捕捉爆炸产物与空气的运动界面,并通过求解物质界面两侧Riemann问题的精确解来计算爆炸产物与空气之间的数值通量。研制了三角形网格自适应技术来实现网格的自动加密和粗化,在保证捕捉激波峰值的前提下有效地提高了计算效率。利用计算程序对1 kt TNT当量的空气自由场强爆炸问题进行数值模拟,计算得到的峰值超压、冲击波到达时间等物理参数与点爆炸理论结果基本一致。     

自由活塞压缩管ALE方法数值模拟

当前国际上实现高焓气体流动的实验手段之一是自由活塞驱动类脉冲设备,包括自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管.采用自由活塞压缩管作为激波风洞和膨胀管的驱动段时,其驱动能力在很大程度上决定了该类设备的性能.本文采用计算流体力学中任意拉格朗日——欧拉方法(arbitrary Lagrangian Eulerian)数值模拟了压缩管内部的自由活塞运动和气体流动特征.采用移动网格技术来适应活塞运动边界,耦合求解网格运动和气体流动过程,并通过双时间步长方法进行流体运动的时间积分.为了满足几何守恒律(geometric conservation law),对移动网格的法向矢量和表面面积计算进行了修正.不同时刻的活塞位置试验测量结果及欧拉方法预测结果,以及基于简单波理论获得的运动活塞底部气体压力、活塞速度与活塞位置都与当前的ALE方法十分一致.该工作为下一步数值模拟自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管中包括压缩管、激波管和喷管等不同部位的耦合流动提供了基础.      

弹性力学柯西问题奇异值选取的傅里叶系数法

截断奇异值分解和边界元法用于重建二维线弹性力学问题的边界条件.提出了傅里叶系数法得到奇异值截断数.将傅里叶系数法与L-曲线法和偏差原理进行了对比,发现傅里叶系数法是得到奇异值截断数的一种有效的方法.对弹性力学Cauchy问题,数值结果表明,随着输入已知边界条件数据随机偏差的减小,基于傅里叶系数法的截断奇异值分解方法可以得到稳定精确的解.     

虚边界元最小二乘配点法

本方法是在虚边界上进行数值积分，在实边界上有限个点处满足给定问题边界条件的一种数值算法。在虚边界上积分是为能寻求到使原问题得到正确解的较好的分布虚体力；在实边界上配点，是依据加权残数法中超额配点，即最小二乘配点法的思想。文中给出了本文方法的基本思想，并给出了壳体的算例。由数值结果表明本文方法的计算精度是令人满意的。     

三维常数势边界元中的精确积分

对三维问题边界元方法中应用最广泛的常数边界元的积分提出一种精确积分方法。借助于一个假想的闭合曲面,将特定的势场应用于边界积分方程,发现对于三维问题,常数势项的积分可以化作球面三角型的面积计算,而导数项的积分则可在平面域用极坐标进行。本文方法结果精确,公式简单,同一计算公式可以用来计算非奇异、几乎奇异和奇异积分,统一了积分算法。     

水下爆炸气泡运动的理论研究

在适当深度的无黏、无旋的流体中对水下爆炸气泡运动特性进行理论研究。综合运用势流理论、能量方程以及拉格朗日方程建立气泡在不可压缩流体中的运动方程。并以此为基础,考虑重力、浮力以及阻力等多种因素对气泡运动特性的影响,通过引入新的边界积分方程,结合分析力学中完整非保守系统的Hamilton原理建立气泡在可压缩流体中的运动微分方程,并对微分方程进行求解。将方程的数值解与MSC.DYTRAN非线性有限元软件的计算结果以及经验公式进行对比,方程数值解与二者都具有较好的一致性。结果表明,基于非保守系统可压缩流体建立的气泡运动方程正确、可行,相关的理论研究和计算具有一定参考价值。     

正交各向异性弹性问题的规则化边界元法

本文致力于平面正交各向异性弹性问题的规则化边界元法研究,提出了新的规则化边界元法的理论和方法。对问题的基本解的特性进行了研究,确立基本解的积分恒等式,提出一种基本解的分解技术,在此基础上,结合转化域积分方程为边界积分方程的极限定理,建立了新颖的规则化边界积分方程。和现有方法比,本文不必将问题变换为各向同性的去处理,从而不含反演运算,也有别于Galerkin方法,无需计算重积分,因此所提方法不仅效率高,而且程序设计简单。特别是,所建方程可计算任何边界位移梯度,进而可计算任意边界应力,而不仅限于面力。数值实施时,采用二次单元和椭圆弧精确单元来描述边界几何,使用不连续插值逼近边界函数。数值算例表明,本文算法稳定、效率高,所取得的边界量数值结果与精确解相当接近。     

二维边界元奇异积分和多域缩聚法分析

基于基本解的一种新的表达式，对二维边界元分析中奇异积分的精确求解进行了讨论，从几何方面对基本解的奇异性进行了分析，给出了超参非连续元离散位势和弹性力学问题边界积分方程时奇异积分计算的精确式，从而为判断各种近似方法的优劣和间接方法的精度提供了依据，也为精确地分析了大规模问题提供了一条有效的途径。     

非等温黏弹性复杂流动的改进SPH方法模拟

非等温黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中,准确预测黏弹性流体的非等温流动机理和复杂流变特性有着重要的应用价值.文章提出一种改进的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法对非等温黏弹性复杂流动进行了数值模拟,其中流体的黏弹特性通过eXtended Pom-Pom本构模型来表征.为了提高模拟结果的精度,采用了一种核函数梯度的修正算法;为了灵活地施加边界条件,发展了边界粒子和虚拟粒子相联合的边界处理方法;为了消除流动过程中的拉伸不稳定性,施加了粒子迁移技术.运用改进SPH方法数值模拟了液滴撞击固壁和F型腔注塑成型问题,通过与Basilisk软件得到的结果进行比较验证了改进SPH方法求解非等温黏弹性流体的有效性.通过利用不同粒子初始间距进行计算,评价了改进SPH方法的数值收敛性.研究了非等温流动相较于等温流动的不同流动特征,深入分析了不同热流变参数对流动过程的影响.数值结果表明,文章提出的改进SPH方法可稳定、准确地描述非等温黏弹性复杂流动的传热机理、复杂流变特性和自由面变化特性.     

竖直平面激波与水平热层作用后流场的理论计算方法研究

围绕竖直平面激波与固壁附近水平热层作用问题,提出了流动进入准自相似阶段后固壁附近流场参量的理论计算方法。与已有的Mirels方法相比,本文的方法在下列三个方面进行了改进:（1）舍弃“热层内激波速度与入射激波速度相等”的假定,分析了热层内激波的传播过程,并基于几何激波动力学理论计算热层内激波强度;（2）假定在与入射激波后流体而非入射激波阵面固连的坐标系中,波后流体在定常等熵波作用下,形成沿固壁运动的“活塞”,驱动其前方的热层气体运动;（3）“活塞”内流体与其毗邻的热层气体满足压力和速度连续,不再引入速度比例系数。利用改进后的方法,对于马赫数为2.00的竖直平面激波,在不同热层密度条件下进行计算。本文方法得到的热层内激波强度以及物质界面处的压力、速度和密度等参量,与数值模拟结果偏差均小于10%,优于Shreffler和Mirels计算方法。对于马赫数为1.36的竖直平面激波,当其传播速度小于热层内气体声速时,Shreffler和Mirels计算方法不再适用,而本文中提出的方法得到的计算结果与数值模拟结果和已有实验数据基本吻合,最大偏差约20%。上述结果表明,本文中提出的理论计算方法提高了现有方法的合理性,扩大了适用范围。     

含径向裂纹系的圆柱的弯曲与扭转

圆柱中任意径向裂纹系的Saint-Venant弯曲与扭转,还无一般的解析解法,本文采用裂纹面二侧应力差和位移差的混合边界条件提法,在求解了一组三节积分方程和一个Neumann问题后,精确地求得到了单裂纹基本解,利用此解给出了解决这类问题的一般方法。文中对二条非共线的等长边界裂纹的应力强度因子和柱的扭转刚度作了数值计算,扭转刚度的结果与L.A.Wigglesworth的完全一致。