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。     

CIP法在模拟大变形自由表面流问题中的应用

为探索能够精确模拟大变形自由表面流(如波浪破碎)问题的数值模拟方法,采用CIP(constrained interpolation profile Scheme)法建立了自由表面流数值计算模型;并以干床面、湿床面上的溃坝溢流为例,研究了CIP法在模拟具有大自由界面变形的气-液二相流问题中的应用。研究结果表明,通过采用CIP法对Navier-Stokes流体运动方程中对流项进行离散求解;对溃坝溢流问题的自由表面形态及压力分布均能给出良好的模拟结果。证明CIP法在对波浪破碎等大自由表面问题的模拟中具有较好的应用前景。     

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。     

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。     

二维溃坝的数值模拟研究

为了研究溃坝问题中流体的运动和自由液面的演变,针对简化的块状水坍塌进行了数值模拟。其中,流体控制方程通过有限体积法进行离散,方程的对流项和扩散项分别采用了一阶迎风格式和中心差分格式;对压力与速度耦合的离散方程以IDEAL算法进行求解;以流体体积分数法和PLIC方法进行自由液面捕捉和重构;对两相流问题中的表面张力通过连续表面力(CSF)模型进行转化。基于上,分别对有限空间内的二维溃坝和带障碍物溃坝问题进行了数值模拟,对不同时刻的自由液面进行了捕捉并与实验结果进行了对比,证明了所采用方法的精确性。     

基于SPH-SWE方法对河流保守型污染物扩散的模拟

为了追踪河流中污染物的迁移轨迹与浓度分布规律,采用光滑粒子流体动力学(SPH)和浅水波方程(SWE)对保守型河流污染物的扩散过程进行模拟,通过对输运方程的离散求解,模拟了一维、二维均匀流和经典溃坝案例并对实际地形进行预测.结果表明:一维、二维均匀流以及溃坝模拟结果和解析解一致,且能避免浓度负值的出现,验证表明SPH-S...     

自由表面流动问题的SPH方法数值模拟

利用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对两个自由表面流动问题－水坝坍塌及涌波进入静止水塘作了数值模拟,尝试了一种处理固壁边界条件的方法－－边界力方法。数值模拟结果表明,SPH方法在处理流体复杂大变形问题方面具有优越笥,而边界力方法则是SPH中处理固壁边界的一种行之有效的方法。     

FAP——流动分析通用有限元程序

采用高分辨率有限元格式，建立了流动与输运过程的数值模拟系统。该系统包含范围相当广泛的流动、传热与输运问题，如不可压粘流与可压缩流，自由表面流与浅水环流，传热与相奕问题，渗流以及多相流等。由于采用非结构化网络制备了多种二维与三维单元，系统具有网络生成容易、通用性强等特点。     

高过载下固体火箭发动机长尾喷管两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日两相流模型对不同过载及颗粒直径条件下的喷管内流场进行了数值模拟。分析了过载的加入和颗粒直径变化对喷管内流场的压强、温度、速度的影响。从结果分析得到:不同过载以及颗粒直径变化对喷管内部燃气压强、温度、速度的影响比较大,特别是对温度的影响尤为明显。在纯气相条件下时,燃气温度在喷管长尾段后部有明显的下降,但随着颗粒相的加入,在喉部附近以及扩张段中,两相流情况下的燃气温度高于纯气相情况下的燃气温度。     

K-∈湍流模型下门桥水阻力的数值计算

采用RANS方程和RNGκ-ε二方程湍流模型及VOF算法对绕门桥的自由表面流动进行了数值计算。数值计算时，使用有限体积法离散控制方程，对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式。对门桥模型进行了一系列速度下的数值模拟；计算结果与试验测量数据相比较，该计算方法具有较好的计算精度，可用于门桥性能分析和优化。     

基于光滑粒子元的水-沙两相流冲刷数值仿真

基础河床冲刷逐渐成为水工建筑物等结构破坏的主要原因,传统分析方法基于欧拉网格法模拟,易出现网格畸变、计算不收敛等情况,降低了计算效率与精度.基于拉格朗日坐标系下无网格光滑粒子元法（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）对河床冲刷过程进行数值模拟;将泥沙相视为非牛顿流体,分为沉积物、推移质、悬移质三种状态;引入Drucker-Prager与Shields应力模型作为泥沙状态转化判断准则,为不同状态泥沙粒子赋予不同流变特性,使计算结果可准确描述水-沙耦合过程. 提出了基于SPH多相流模型的河床冲刷数值仿真改进算法,编写了泥沙冲刷计算模块,采用GPU进行计算加速,最后将所得数值水槽模型与Louvain溃坝试验及其他同类仿真结果进行对照. 结果表明：本文模型能够更为准确地反映冲刷发展整体趋势;各时刻自由液面、水-沙交界面轮廓均方根误差均在合理范围内;数值模型与试验结果吻合度较高.     

SPH方法在溃坝流动模拟中的应用

光滑粒子（smoothed particle hydrodynamics, SPH）方法是一种新近发展的可用于流动模拟的无网格数值方法，理论上能够适应任意变形，在模拟流体流动的剧烈变形时有显著的优势.但是流动的初始、边界条件和一些计算参数的选取都会对计算结果产生较大的影响.作者基于SPH方法的基本原理，全面考虑了各种定解条件的设置，独立发展了一套用于模拟不可压自由表面流动的SPH2D程序，并应用于溃坝流动的模拟之中.SPH模拟结果与Harlow和Welch经典的MAC（marker and cell）结果非常吻合，验证了方法的准确性，为SPH方法的进一步发展和广泛应用奠定了一定的基础.     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。     

SPH方法在溃坝数值模拟中的应用

光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种纯拉格朗日无网格方法,适用于模拟波浪破碎、高速水流、高速冲击碰撞等瞬时极大变形的问题。介绍了SPH方法的基本原理、核函数及离散格式的控制方程、边界处理方法等,建立了数值水槽模型,验证了模型的有效性。应用SPH方法模拟了二维溃坝问题,考虑了添加无孔障碍物和有孔障碍物的2种情形,将模拟得到的结果进行对比分析。结果表明,SPH方法能够很好地捕捉流体自由面变形、飞溅及融合现象,在一定程度上有孔障碍物有更好的消能效果。     

一维和二维溃坝波的混合有限分析解

针对水深平均二维浅水方程高分辨率模型,采用非交错网格下的二维对流扩散方程的混合有限分析法,运用SIMPLE算法结合Rhie and Chow的动量插值技术计算二维溃坝水流．一维理论解和其他格式的二维数值结果符合良好,表明非交错网格下的混合有限分析法能正确有效地求解溃坝问题．进而对部分溃决情况下的溃坝波传播和绕流问题进行了数值模拟,给出了精细的数值结果,揭示了复杂的运动特性,进一步表明混合有限分析法具有较强的溃坝波的捕捉能力,是求解溃坝流动的有效方法之一．     

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。     

基于FE-SPH耦合算法的球体冲击问题研究

为充分利用SPH方法处理大变形问题与FEM方法处理冲击问题时各自的优势,提出了新型的三维SPH-FEM耦合算法,该算法在大变形区域采用SPH粒子离散,从而克服FEM方法单元畸变存在的问题,其他模拟区域使用FEM单元离散,既可以避免SPH边界效应,也能保证耦合界面物理量具有连续性。使用该算法分别对球体冲击土壤与水域的过程进行了三维数值模拟,选取含损伤的Johnson-Cook模型和Mie-Gruneisen状态方程对土壤与水域进行参数计算,对比分析球体在土壤与水域中的速度、加速度以及有效应力数据结果,分析可知,此次模拟结果与其他已有仿真结果基本吻合,验证了采用FE-SPH耦合算法处理结构与流体相互作用问题是可行和有效的,为求解流固耦合问题提供了一条崭新的途径。     

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...     

模拟自由表面问题的移动粒子半隐式模拟方法

使用移动粒子半隐式(MPS)法对典型的自由表面流动问题--二维溃坝问题进行了模拟,研究了不同粒子分布对模拟结果的影响,发现对于过大和过小的粒子间距均无法得到合理的结果.将模拟结果与SPH、VOF法结果和实验结果进行了比较,发现MPS的模拟结果介于VOF和SPH的模拟结果之间.在没有引入黏性的情况下,MPS法得到的结果比VOF法的结果更接近于实验结果,预期引入黏性后可达到与SPH法同样合理的结果.     

水流运动物质点法数值仿真

在水流体运动问题的三维数值模拟中,结合拉格朗日法和欧拉法的物质点法具有计算精度和计算效率比较高的优势,本文应用物质点法和显示积分算法对水柱在固壁面上自由塌落、箱体内水流溃坝和水流绕过障碍流动的过程进行三维数值仿真,从数值仿真结果看,与实际水流的运动过程较为符合,表明物质点法在模拟水流体运动问题同样是一种有效的仿真方法。