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。     

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。     

适用于粒子法的精准连续表面力模型

针对粒子法中表面张力计算的准确性问题,该文对连续表面力(continuum surface force,CSF)模型进行了改进。在采用一种几何法精准识别界面粒子的基础上,曲率由仅需考虑作用域内界面粒子的单位法线面散度计算得到,且表面张力仅作用于界面粒子。圆和椭圆的曲率计算结果表明,改进后的模型在合适的分辨率和光滑长度下可实现较高的曲率计算精度。采用移动粒子半隐式(moving particle semi-implicit,MPS)方法对表面张力作用下的方形液滴振荡和液滴碰撞过程进行了二维单相流动模拟,模拟结果的振荡周期与理论值接近,液滴形状合理且表面光滑,表明改进后的CSF模型可准确地模拟动态算例中的表面张力作用。     

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。     

流体自由表面模拟的一种改进算法

基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的流体自由表面的模拟需要在流体自由表面附近生成空气粒子来保证模拟精度,传统方法生成的空气粒子分布不够均匀平滑,影响模拟效果,而且计算量较大。文章对传统的连续表面力(continuum surface force,CSF)模型流体自由表面模拟添加空气粒子的方法进行改进,首先在流体自由表面的法向上动态生成双层空气粒子,然后对生成的空气粒子施加切向力,使得空气粒子均匀分布,从而提高流体自由表面的模拟精度。考虑到一般模拟的时间步长很短,空气粒子的位置在单位时间步长下变化很小,可以近似认为短时间内上一时间步的空气粒子还是下一时间步的空气粒子,因此文中提出自适应间隔时间步长重新生成空气粒子的的方法,减少了计算量,提高了模拟效率。     

基于修正剑桥模型的SPH的土柱崩塌模拟

土柱崩塌是一种被广泛研究的岩土大变形模型。考虑非关联流动法则的修正剑桥(MCC)模型描述土体行为,并将其导入光滑粒子流体动力学(SPH)算法来模拟土柱崩塌。在算法设计中,利用有限元方法中常用的中心回映算法来计算应力积分,以提高算法的精度。应用所设计的SPH算法模拟初始高宽比分别为1.5,3和5.5的土柱崩塌模型,并与实验结果比较,表明SPH算法在研究土柱崩塌问题的可靠性。     

双液滴撞击固壁及液膜问题的三维SPH模拟

通过表面力张量的梯度离散合理引入表面张力效应,并以方形液滴的振荡问题为例,验证了表面张力模型的有效性。基于光滑粒子动力学(SPH)方法,对双液滴相继撞击固壁及液膜问题进行了三维数值模拟,并通过与实验结果的比较验证了方法的有效性,分析了液滴间垂直距离对流动过程的影响,精细地捕捉了液滴产生"皇冠"状水花并发生飞溅、不连续液面的流动过程。数值结果表明:SPH方法能够有效而准确地描述三维双液滴撞击固壁及液膜问题的自由面变化特征,SPH方法对处理自由表面大变形问题具有较好的优势。     

基于修正剑桥模型的光滑粒子流体动力学的土柱崩塌模拟

土柱崩塌是一种被广泛研究的岩土大变形模型。考虑非关联流动法则的修正剑桥(MCC)模型描述土体行为;并将其导入光滑粒子流体动力学(SPH)算法来模拟土柱崩塌。在算法设计中,利用有限元方法中常用的中心回映算法来计算应力积分,以提高算法的精度。应用所设计的SPH算法模拟初始高宽比分别为1.5、3和5.5的土柱崩塌模型;并与实验结果比较,表明SPH算法在研究土柱崩塌问题的可靠性。     

基于光滑粒子法边坡失稳影响范围的模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH,smoothed particle hydrodynamics),以经典弹塑性本构模型为核心,结合一系列数值处理方法,探讨精确和便捷地对边坡失稳破坏影响范围的模拟方法与技术。文中借助地理信息系统(geographic information system,GIS)平台与C#编程建模,将边坡地形细节与特征创建成为SPH粒子,对模型部分边界粒子排列方式进行改进,最后应用到边坡模拟的实例中。结合GIS平台与Matlab开发了滑坡SPH粒子自动排列程序,将此模型与方法应用在美国华盛顿州Oso滑坡实例中,经过参照对比,数值模拟结果与滑坡现场收集数据较为吻合,验证了光滑粒子法及运动模型在模拟边坡失稳影响范围的适用性。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于SPH方法与GPU并行计算的阶梯流数值模拟

为了更好地模拟分析地下空间阶梯流动力学规律和提升数值计算效率,本文利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)并借助GPU并行计算技术对地下空间阶梯流进行数值建模和计算。基于GPU并行化加速的SPH地下空间阶梯流模型的数值计算结果表明：该模型不仅计算获得较好的阶梯流流态,而且计算效率大幅度提高,比串行SPH模型和移动粒子半隐方法(MPS)模型快数百倍,这为研究大尺度城市街区洪水提供了一个比较有前景的研究途径。     

基于光滑粒子流体动力学方法与GPU并行计算的阶梯流数值模拟

为了更好地模拟分析地下空间阶梯流动力学规律和提升数值计算效率,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH),并借助GPU并行计算技术对地下空间阶梯流进行数值建模和计算。基于GPU并行化加速的SPH地下空间阶梯流模型的数值计算结果表明:该模型不仅计算获得较好的阶梯流流态,而且计算效率大幅度提高,比串行SPH模型和移动粒子半隐方法(MPS)模型快数百倍,为研究大尺度城市街区洪水提供了一个比较有前景的研究途径。     

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。     

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。     

求解浅水方程的光滑粒子流体动力学法

文章将光滑粒子流体动力学(SPH)法应用于浅水方程,针对传统SPH法中存在的边界缺陷问题,引入了一种处理边界条件的方法,即虚粒子法,对一维溃坝问题进行模拟,并将所得结果与用有限差分法等数值方法得到的结果相比较,结果表明SPH法能够捕捉到水坝崩溃后的激波现象,并且所得图像较为平滑,在间断处也较为锐利。     

RDSPH:一种适用于一维非连续条件的新SPH方法

基于恢复粒子一致性的光滑粒子流体动力学(RSPH)方法,同时借鉴DCSMP方法,在非连续区间上对未知函数分段泰勒展开,并保留零阶项和一阶项,构建了一套适合于模拟一维非连续物理现象的新SPH方法(RDSPH).比较不同SPH方程近似二次函数的结果,新方法不仅改进了传统SPH方法存在的边界缺陷问题,同时在非连续区域内也能更有效地修复由非连续引起的核近似截断积分和消除粒子不一致性所造成的误差.