一种新的流体自由表面张力模拟方法

在流体模拟中，为了真实、有效地捕捉流体自由表面的微观特征，表面张力的真实模拟十分重要。针对现有的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force, IIF)方法模拟流体表面张力存在的流体自由表面不光滑、计算效率低、模拟效果不稳定等问题，文章提出一种新的流体自由表面张力模拟方法。首先提出一种快速准确检测流体自由表面粒子方法；然后构造新的粒子间作用力模型和表面面积最小化修正项，对检测出的自由表面粒子进行表面张力模拟，减少不必要的计算量；最后对临近自由表面处的流体粒子进行密度修正，提高自由表面附近流体粒子密度的计算精度。仿真结果表明，与已有的方法相比，该文方法对表面张力的模拟效率更高、效果更好。     

一种改进的流体模拟自由表面处理算法

文章基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,针对传统流体模拟自由表面处理方法——ghost方法计算量大、动态生成ghost粒子场量比较困难等缺陷,提出了一种改进的ghost粒子方法,使得ghost粒子场量生成更容易。仿真实验表明,文中方法模拟自由表面的效果比传统的ghost方法更好,效率更高。     

改进的CSF流体表面张力模型

传统连续表面力(continuum surface force,CSF)模型模拟流体表面张力时,流体表面的粒子受到的表面张力都是法向力,很难保证流体表面的光滑性,从而使得表面张力模拟失真;此外,流体表面的粒子不足还导致流体表面密度计算精度降低,模拟稳定性差。文章在CSF模型的基础上,对流体表面施加切向力,使得流体表面更加光滑;对边界粒子进行密度修正,提高了密度计算精度和模拟的稳定性。仿真实验结果表明,该方法模拟的流体表面张力效果更好。     

剪切变稀型流体在搅拌槽中流动与混合特性数值模拟

使用计算流体力学(CFD)软件CFX对剪切变稀型流体混合特性进行了数值模拟。计算了剪切变稀型流体在不同转速下的自由液面高度及表面示踪粒子运动时间,并与实验进行了比较。搅拌槽直径D=480 mm,搅拌桨为45°两斜叶桨,无挡板,以某催化剂胶体为工作物料。自由液位高度计算方法采用VOF模型,层流状态。时间计算方法采用表面示踪粒子运动法,并比较了牛顿流体与剪切变稀型流体表面示踪粒子运动时间的差异。     

二维自由表面流动的光滑粒子动力学方法数值模拟

在流体微可压缩的假定下,运用光滑粒子动力学(SPH)方法模拟了二维自由表面流动问题.选用正则化五次样条函数作为SPH核函数,由状态方程求得压力,采用显式三步法进行时间积分,利用链表法作为粒子搜索策略,并引入动态粒子模拟边界条件,提出了多项修正措施以弥补SPH方法的缺点.研究表明,文中计算结果与实验数据吻合,计算精度理想,且消除了流体粒子附着在边界上的不合理现象.     

压铸充型过程的SPH方法建模及数值模拟

基于欧拉描述的数值方法在求解压铸充型过程自由表面问题时存在一定困难.为提高自由表面数值模拟的准确性,建立了基于纯拉格朗日描述的压铸充型过程光滑粒子流体动力学(SPH)方法计算程序.引入Monaghan边界模型建立了型腔壁面边界条件,通过划分入流区域粒子和流体粒子满足了入流边界条件.采用所编制的程序计算了Schmid验证...     

负压梯度下自由面流动模拟的无网格粒子法Dirichlet边界条件

为改善无网格粒子法自由表面附近计算精度及稳定性,尤其在负压梯度条件下较难收敛的状况,提出了一种基于虚拟边界的狄利克雷边界条件赋值方法。以移动粒子半隐式法为例,采用最小二乘法对自由表面粒子进行多项式拟合,以拟合曲线作为虚拟边界,用自由表面粒子到虚拟边界的偏差矢量对自由表面粒子赋值进行修正。通过方形液滴旋转算例验证了算法的有效性与准确性,获得了自由表面平滑的模拟结果。进一步研究了关键参数的选择对边界条件的表达和计算精度的影响,发现当拟合搜索半径为4倍初始粒子间距时,可减小拟合误差,防止边界畸变。提出的改进方法提高了自由表面核截断区域的计算精度与稳定性,可显著改善负压梯度下大变形自由曲面外缘粒子因梯度力偏差而导致的粒子飘散情况,为改善大变形复杂界面流动计算提供了新的思路。     

基于粒子的水沸腾模拟

近年来,定位流体(position based fluids,PBF)方法以其高效的计算速率和真实的模拟效果成为模拟大场景流体运动的主流方法。文章基于PBF方法使用少量的流体粒子模拟水的沸腾场景。首先采用流体粒子作为热量传输的媒介,通过SPH方法中的核函数理论处理模型中的热传导,使得模拟区域的热量分布更连续,相比于传统的以网格作为热量传输媒介的加热方式,模拟效果更好;其次在流体粒子模型的属性计算中引入粒子效果精度,加快模型计算速度。实验结果验证了该模型具有更好的模拟效果及稳定性。     

自适应分层定位流体仿真模型

文章将自适应分层模型与3种现有的粒子方法相结合,得到3种改进的粒子方法,并对流体粒子进行大小粒子分层,可减少模拟使用的粒子,从而降低了原始方法的计算量;而通过使用较小粒子覆盖于流体表面,使得改进后的方法表面细节效果更佳。通过嵌入自适应分层模型,使得改进后的3种方法的计算效率得到了提高,表面细节也得到了保留甚至更佳。     

基于分子间作用力改进的液体表面张力处理算法

基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法处理液体自由表面是一个挑战性问题,其主要原因是液体自由表面张力难以真实模拟以及气-液交界面的粒子不足造成的边界截断所引发的数值计算不稳定。文章在传统的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force,IIF)模型基础上,结合气体压力法,构造了一种新的液体表面张力处理算法。仿真实验结果表明,该文方法能够稳定和比较准确地模拟液体自由表面张力,模拟的液体自由表面更光滑、更真实。此外,该文还提出了一种新的核函数,提高了模拟效率。     

剪切变稀自由表面流动问题的不可压SPH模拟

为解决传统弱可压光滑粒子动力学(SPH)方法中,密度的微小变化能引起压力的非物理振荡,发展了一种新的不可压SPH方法,并将其推广到剪切变稀自由表面流动问题的数值模拟中。该方法采用压力Poisson方程求解流体压力,流体控制方程则通过分数步长法进行求解。首先,利用不可压SPH方法模拟了牛顿液滴在水平固壁上的铺展现象,并通过与文献结果的比较,验证了不可压SPH方法模拟自由表面流的有效性;随后,对牛顿液滴和剪切变稀液滴在倾斜固壁上的铺展现象进行了不可压SPH模拟,并讨论了两种液滴铺展现象的不同流动特征。数值结果表明,不可压SPH方法不仅能够有效克服弱可压SPH方法所产生的压力振荡问题,并且能够成功推广到剪切变稀自由表面流的数值模拟中。     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法。由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式法(weakly compressible corrected moving particle semi-implicit method)构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WCCMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

WC-CMPS法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法,由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。本文采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式(Weakly Compressible Corrected Moving Particle Semi-implicit Method)法构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WC-CMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

基于SPH方法的液体晃动数值模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟研究贮液容器中带有自由表面的液体晃动问题.应用密度对比法捕捉自由表面粒子,并采用边界排斥力法与镜像粒子相结合的方法处理固体边界.计算了贮液容器中粘性流体的自由晃动以及外部激励下的一阶模态晃动,得到了自由液面的波动和监测断面上的压强分布.将计算结果与理论值以及前人的实验数据对比表明,光滑粒子动力学方法作为一种无网格法,能较好地模拟带有自由液面的液体晃动问题.     

PDP放电特性二维流体数值模拟的加速方法

针对PDP气体放电的流体模型,采用指数方法(Scharfetter-Gummel)和电场半隐格式对新型荫罩式PDP显示单元结构的放电过程进行数值模拟.研究时间步长和空间网格大小的变化对模拟结果的影响和对计算速度的改进,结果表明利用半隐格式求解电场可以大大提高时间步长,同时可以在电场变化不显著的方向上粗分网格,从而达到既保证计算精度又提高计算速度的目的.针对新型荫罩式PDP显示单元结构的实例计算结果表明,使用半隐格式求解电场可使计算速度提高80倍左右.同时根据放电单元的结构和放电空间的电场分布,在电场变化不显著的方向粗分网格从5 μm增大到20 μm,可使计算时间比原来减少80%左右.     

用移动粒子半隐式法模拟液舱横摇晃荡现象

应用移动粒子半隐式法（MPS）模拟了半满粘性液舱的横摇晃荡运动.模拟中每个时间步分为显示和隐式两步,控制方程中利用粒子与周围粒子之间的关系取代了传统方法中的差分项,利用粒子数密度的变化来判别自由表面.MPS法作为一种Lagrange数值方法,存在着粒子穿透现象.文中使用了一种防穿透方法,取得了较好的结果.结果表明,MPS法在复杂曲面的布点及自由表面的表现上有一定的优势.     

基于物理碰撞的边界处理方法

传统的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法在模拟流体时,核函数一致性的局限性导致在边界处产生较大的数值耗散,降低了边界处粒子的密度值及压强值的计算精度,导致流体体积的错误变化,进而影响模拟效果。文章提出一种SPH方法和物理碰撞相耦合的方法,对于非靠近边界的粒子,用SPH方法计算它们的各种属性;对于靠近边界处的粒子,赋予它们静止密度,使用纯粹的物理弹性碰撞来计算其速度和位置。在此过程中,文章给出了一种有效区分靠近边界的粒子和非靠近边界的粒子的方法;此外还加速了Marching Cubes算法。通过对比实验结果发现,该文方法可以准确计算流体的密度及压强,使得流体体积更加地接近精确值。     

翅片管式蒸发器结霜问题的数值分析与实验研究

翅片管蒸发器结霜会增加传热热阻和流动阻力．为了合理确定化霜周期,必须对结霜过程作深入了解．文中应用动量、能量、质量输运方程模拟翅片管式蒸发器的结霜过程,并用数值求解方法预测了霜沉降量、蒸发器换热量随时间的变化过程．翅片管结霜是一个瞬变问题,为了计算方便,将其简化为准稳态问题,即在每个时间步长内,认为该过程是稳定的．然后把所得的霜层厚度以及霜层表面温度作为下一时间步长内传热传质的边界条件．在研究中考虑了霜层阻力引起风量下降这一因素,并通过测定空气除湿量来确定霜沉降量,以验证计算结果,两者吻合得很好     

一种适用于移动粒子半隐式法的自由表面识别方法

针对移动粒子半隐式 (MPS) 法中自由表面判定方法的不足,提出了一种基于邻居搜索的自由表面识别方法,其介于MPS法每时间步的显式和隐式修正之间,基于粒子周围的邻居分布,将周围区域分为8块,其中相邻区域无邻居时的粒子属于自由表面粒子,且在实际中,该方法与粒子数密度参数混合使用,在可能被误判的数密度参数区域使用邻居搜索.结果表明,该混合方法能够有效识别自由表面,避免非自由表面粒子被误判,且对算法的效率影响不大.