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.     

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。     

两相流流动瞬变的计算方法及实验研究

从气液、固液、固气两相流的基本方程着手,利用特性曲线法对流体的流动瞬变推导出计算公式并不需对两相流作均匀分布的假设,经气液两相流的瞬变流的理论计算与实验验证,证明该方法是能满足工程精度要求的。     

基于SPH方法的阶梯流数值模型

针对阶梯流在实验研究方面的不足,为了更好地研究复杂阶梯流动力学规律,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)构建了阶梯流数值计算模型。该文模型对SPH方法的一种固壁边界处理方法进行了改进,改进的边界处理方法能对固壁边界施加的斥力进行动态修正从而减少边界扰动,还引入了动态加入水粒子的水泵模型来模拟阶梯流实验中的水泵注水过程。以验证模型可靠性,基于建立的模型对Ishigaki实验场景进行了模拟分析。结果表明:定性上,模拟水流呈现出较好的阶梯流流态;定量上,模拟结果与Ishigaki实验数据整体上比较吻合。     

多孔介质孔隙尺度下不可压缩流体流动特性SPH模拟

基于孔隙尺度下的多孔介质模型,使用光滑粒子动力学(SPH)数值模拟方法研究多孔介质中不可压缩流体流动现象,分析流体在孔隙尺度下的流动特性.首先通过模拟经典的Poiseuille流和Couette流验证方法的正确性.随后,针对流体在分别由圆柱和方柱为骨架构造的规则多孔介质内的流动情况,同时使用SPH方法和有限元法(FEM)进行模拟,所得的结果十分吻合.最后利用SPH方法对流体在基于贝雷岩心获得的多孔介质模型和以同尺度的圆柱为基元构造的一种人工随机多孔介质模型内的流动进行模拟,证明平均流体速度和单位质量体积力具有很好的线性关系.     

低雷诺数流动问题的SPH数值模拟及与FPM方法的比较

采用SPH方法对低雷诺数流动问题进行了数值模拟,讨论了初始光滑长度以及核函数影响域大小对结果的影响。典型Poiseuille流和Couette流的模拟结果表明,SPH方法能够很好地模拟低雷诺数流动。并比较了SPH方法和FPM方法的精度和计算效率。     

旁路流对换热器壳侧气液两相流动特性的影响

针对工业中广泛应用的管壳式换热器,对壳侧旁路对气液两相流体流动特性的影响进行了试验研究。以Ishihara两相流动模型为基础,建立了以横掠管束的主流路为基础的错流区通用两相压降计算关联式。该关联式与实验结果吻合较好。并通过错流区分相流动模型,分析计算了主流路与旁路中气液分布情况,结果表明主流路和旁路中气液流量的分布是不均匀的;气液各自占相应总流量的比例在不同的流型下明显不同,且比例值的波动范围较大。     

水气二相流光滑粒子流体动力学方法研究进展

从状态方程、连续方程、动量方程和其他数值技术等方面,对光滑粒子流体动力学（SPH）解决水气二相流问题的数值技术和最新进展进行了综述,并对各项技术进行了评价。最后,提出了未来的研究展望。     

后台阶气固两相流动的PDPA实验

为了获得后台阶气粒两相湍流的流动特征,用相位Doppler粒子动态分析仪(PDPA)对其进行了实验研究。45μm颗粒速度几乎都大于相应位置上的气相速度,而脉动速度分布与气相相似,具有双峰结构。颗粒平均速度和脉动速度的分布在不同Re下是相似的,其流向脉动速度的最大值在7~8倍后台阶高度的流向距离之前,大致能够保持不变,但此后会显著减小,并在12倍后台阶高度的距离之后整个截面分布趋向均匀。随着Re的增大,颗粒相的回流区长度也逐渐变长。这些结果为认识颗粒相的流动规律以及发展和改进颗粒相数值模型提供了依据。     

高速碰撞问题的SPH方法模拟

给出了全应力张量空间中的光滑粒子流体动力学方法插值公式，利用该方法编制程序对高速碰撞问题进行了数据模拟，给出了正碰撞和斜碰撞2个算例，得到了合理的模拟结果。表明该方法可以运用于冲击力学问题的数值模拟计算。     

静态场中插值函数条件的研究

将质点形式SPH方程应用于静态场，被估质点既可以为初设质点，亦可位于初设质点之间。通过分析，得到了合适的插值函数应该满足的3个条件，8个插值函数的分析结果表明了3个条件的适用性。最后，利用一个函数的估值实例，证实了3个条件可以用于评价插值函数的优劣。分析结果表明，Gaussian和五次样条插值函数是最佳的插值函数。     

基于SPH方法的不同材质射流毁伤性能研究

为研究不同材质射流的毁伤性能,使用AUTODYN有限元软件,采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对Cu、PTFE、PTFE-Cu三种材料药型罩形成射流的成型及侵彻靶板过程进行了数值仿真,并通过实验进行验证.研究结果表明:Cu材料药型罩在爆轰波的作用下形成凝聚的射流,而PTFE和PTFE-Cu材料药型罩则形成飞散的粒子流;三种材料射流侵彻靶板过程中,Cu射流头部速度最低,侵彻深度最深,开孔最小;PTFE粒子流头部速度最高,侵彻深度最浅,开孔大小居中;PTFE-Cu射流的头部速度和侵彻深度都居中,而开孔最大;PTFE-Cu射流克服了PTFE射流侵彻性能不足的缺点,其开孔能力较之铜射流有所提高.      

瞬态两相流动的矢通量分裂解

本文用矢通量分裂法求解了瞬态两相流问题.首先导出了瞬态两相控制方程的特征根.然后将矢通量分裂成二个子矢量使每一个子矢量仅包含一种符号的特征值.再利用一侧差分将方程离散得到稳定性较好的差分方程。最后将数值预测与实验结果进行了比较.数值方法与实验结果十分吻合.     

三维洪水流动的SPH数值模型

对光滑粒子动力学(SPH)方法进行了改进,提出了高精度的耦合动力学边界处理方法,保证粒子的无穿透条件,通过液面粒子的支持域求和准确施加自由液面条件,准确预测水流的翻卷、破碎效应。建立洪水流动的简化模型,分析防波堤对洪水的阻碍作用,准确预测洪水流动中各种三维特征。应用SPH模型对三维圆柱形水体坍塌过程进行模拟,结果表明,SPH数值模拟结果与实验结果吻合很好,从而验证了SPH模型模拟剧烈自由液面流动的有效性。     

对几种SPH方法的对比研究

用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,简称SPH)方法对函数及其一阶和二阶空间导数核近似进行了详细研究.讨论了几种SPH方法的计算思路,给出了一维、二维和三维情况下分别用CSPH(Corrective SPH)、MSPH(Modified SPH)、SSPH(symmetric SPH)方法,对函数及其一阶和二阶空间导数进行核近似的计算方法,通过一维和二维数值算例,对四种不同的SPH方法进行了比较和误差分析,结果表明MSPH和SSPH方法极大地提高了边界处的精度而且SSPH方法的误差最小.     

T型微通道内气液两相流数值模拟

采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.     

两相流稀相微粒速度场测量技术研究

通过引入粒子计数法，对基于二进制图像分析算法(BICC)的粒子图像速度场仪(PIV)的粒子图像跟踪技术进行了改进。数值模拟了3个典型的两相流稀相微粒流场，即等线速度旋转流场、旋涡流场和两个相向运动的射流汇合流场，并把改进后的微粒跟踪技术用于模拟流场中粒子对的识别研究。结果表明：改进后的方法能很好地识别与跟踪粒子对，计算速度快，准确率高达97％，适用于两相流稀相微粒速度场的测量；随着粒子对数目的增大，相关系数降低；随着粒子半径的减小，相关系数分布渐趋陡峭；最佳粒子对数目为8～12，最佳粒子图像半径为3～8像素。