光滑粒子流体动力学的研究进展及应用

本文从光滑粒子流体动力学（Smoothed particle hydrodynamics,SPH）方法的基本理论出发,论述了经典SPH方法存在的问题：插值不连续,边界处理,张力不稳定性;对五种改进的SPH算法（NSPH,RKPM,CSPM,MLSPH,ISPH）的原理及特点进行了总结。并总结了SPH方法在可压缩流,不可压缩流,材料的变形与冲击断裂中的应用情况。最后,结合SPH在工程领域中的应用提出几点展望。     

一种无网格粒子法探究——《光滑粒子流体动力学》评介

光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）方法是一种无网格拉格朗日型的粒子方法,由Lucy与Gingold、Monaghan在1977年分别提出,一开始用于解决三维开放空间的天体物理学问题,目前被广泛应用于流体动力学、固体力学及其他工程学科各种问题的数值仿真中。     

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。     

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。     

面向光滑粒子流体动力学(SPH)流体的湍流细节模拟

研究基于光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）方法的恢复涡流和湍流细节的方法,缓解因采用人工黏度而产生的数值耗散.根据由黏性力引起的动能损失率对离散点的涡度进行修正.通过流函数将涡度变化恢复到速度场,避免求解Biot-Savart积分这一耗时过程.该方法基于旋度计算,不仅可以增强现有的涡流,还可在潜在位置产生新的湍流,并且其易于集成到现有SPH方法中.实验证明,该方法可以逼真地模拟湍流细节,并实现不同强度水平的增强效果.      

修正变光滑长度SPH方法及其应用

提出了修正的变光滑长度SPH方法及其算法实现.与传统变光滑长度SPH法相比,新方程组基于对称形式核函数近似,并从根本上考虑了变光滑长度影响.方程组中,密度演化方程与变光滑长度方程隐式关联;而SPH动量方程和能量方程在Springel提出的全守恒SPH方程组基础上,改进其分散核近似形式为对称核近似形式得到.由于新方程组密度演化方程和变光滑长度方程隐式耦合,采用迭代求解密度演化方程和变光滑长度方程,显式求解SPH动量方程和能量方程的办法,迭代过程增加的计算量相对很少.给出了2个一维激波管算例和二维 Sedov算例来验证方法的有效性.结果表明,新方法很好地解决了传统SPH法中变光滑长度影响,特别是在模拟二维 Sedov问题时新方法能得到比Springel方法更准确的压强峰值位置,中心压强也更接近理论值.特别适合模拟爆炸与冲击、大变形大扭曲等密度和光滑长度变化剧烈的问题.     

互补问题的一种光滑迭代算法

利用互补问题的等价不动点格式，建立了一种迭代公式，进而对其中不可微的极大值函数，分别用熵函数方法导出的两个光滑函数进行逼近，构造了两个不同的算法，对文献里的几个标准互补问题的测试，显示了算法的稳定性和有效性。     

摩擦接触问题的一种非光滑算法

接触问题是一个多重非线性问题,难以转化为经典的光滑模型进行求解,运用非光滑分析的理论与算法研究有摩擦的接触问题,给出了二维摩擦接触问题的一种非光滑方程组模型及算法,并给出了算例.该算法未引入任何人工变量,列式简单,计算量小,实际算例及随机算例也表明了算法的有效性.     

一种简化粒子群算法及在三维装箱问题中的应用

在简化粒子群算法中引入混合蛙跳算法的分组思想,使得粒子群算法在进化后期能够利用更丰富的信息,有效避免算法早熟收敛和收敛到局部最优点问题,且收敛速度更快。将改进后的简化粒子群算法用于解决集装箱装箱问题,数值试验表明这种集装箱装载方法能够达到较好的容积利用率。为了指导实际的装箱操作,设计出了集装箱装载软件。     

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。     

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。     

液固高速撞击时材料表面损伤的数值模拟

为了研究液固撞击的机理,采用光滑粒子流体动力学方法（SPH）与有限单元法（FEM）建立了考虑流固耦合效应的高速液固撞击数值模型,详细分析了直径为2mm、撞击速度为1000m／s的液滴和射流对有机玻璃（PMMA）的三维撞击和破坏状况．分析表明：射流与液滴在撞击初始时刻的前缘变形和内部压力分布几乎是完全相同的;液滴撞击固体的最大压力值出现在0．20μs时,但此时材料内部最大等效应力只有104MPa,材料还不足以发生破坏;产生于液固撞击瞬时后0．32μs、速度高达2925m／s的侧向射流是使固体表面产生破坏的主要原因,因此撞击最初的破坏位于以撞击中心为圆心的一个圆环区域处．所得材料表面损伤情况与Brunton的实验数据吻合良好,证明了数值模型的可行性和精确性．     

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。     

应用FPM方法模拟封闭方腔自然对流

为验证有限粒子方法（FPM）能否很好地模拟自然对流问题,采用FPM方法对封闭方腔自然对流问题进行了数值模拟. 对FPM方法进行详细描述,并利用FPM方法对拉格朗日型的N-S方程进行离散,基于离散后的方程对瑞利数Ra分别为104,105,106的封闭方腔自然对流问题进行数值模拟,给出了不同瑞利数条件下的速度和温度云图以及中心线上量纲一的速度和温度分布曲线. 结果表明,FPM方法能够获得较准确的温度分布规律,当瑞利数较低时也能获得较准确的速度分布规律,但随着瑞利数的增大,速度场的模拟结果精度和稳定性变差,因此为了获得更准确和光滑的速度分布场,需要对FPM方法做进一步的改进.      

SPH法数值仿真三维切削破岩和切削力估算

以Mohr-Coulomb模型描述岩石,在LS-DYNA中用SPH(Smootheed Particle Hydrodynamics)法模拟三维刀齿切削破岩,探讨切削参数和岩石性质对切削力的影响.基于切削力随各切削参数和岩石性质的变化规律,建立切削力估算公式.用所得公式计算切削力,并与实验值进行比较.仿真结果表明:切削厚度、切削前角、切削宽度、岩石的内聚力和内摩擦角对切削力影响显著,切削速度在较低范围内变化时对切削力影响非常小.三维切削仿真能够较好地反映刀齿两侧岩石颗粒对切削的影响,比二维理论模型更接近实际.所得切削力估算公式能准确计算仿真中的平均切向力,且其计算值能与实验吻合较好.验证了基于SPH法的数值仿真用于研究刀齿切削破岩的可靠性.     

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。     

三跨缩比护栏系统冲击动力响应的有限元分析

建立了三跨缩比波形梁护栏系统受冲击荷载作用的有限元模型,运用LS-DY-NA3D有限元分析程序对护栏系统的冲击动力响应进行了有限元分析,得到了护栏系统各部件的瞬态变形过程,包括波形梁的弯曲、防阻块的挤压以及立柱的扭转和弯曲;给出了加载头冲击加速度初始急剧增长而后衰减到零的过程和速度逐渐降低直到反向的变化过程;分析了撞击过程中护栏系统的能量吸收特性,发现加载头的冲击能量主要转化为护栏系统各部分的内能和加载头的剩余动能,吸收能量的主要部件是防阻块和波形梁,将分析结果与实验结果进行对比,二者吻合很好,表明了模型的有效性。     

高速公路隧道施工中粘弹性变形的有限元分析

以浙江上三线高速公路隧道为工程背景，应用大型有限元软件MARC对洞口段隧道进行动态施工全过程三维有限元模拟。分析了施工工序，工艺对隧道拱顶沉降，侧壁收敛变形的影响，全面追踪了动态施工中隧道关键部位的变形过程，并基于弹性－粘弹性对应性原理，由各向同性及横观各向同性弹性计算的变形结果预测隧道的粘性变形。     

基于SPH方法的二维矩形舱液体晃荡数值研究

储液舱内液体晃荡是当外激激励频率与容器内部液体自由液面的固有频率接近时,液体产生的剧烈共振运动.采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,在二维矩形舱低载液率横荡和横摇激励下,自由液面共振频率附近4个激励频率处开展数值研究.对比数值和对应实验中全局自由液面波形和冲击压力时程发现,SPH方法可以很好地模拟液体晃荡时的波形,如水跃、破碎波等自由液面的大变形运动.此外,该方法可用于模拟和评估非共振区域晃荡荷载的特性.建议采用两相流来模拟共振频率下液体剧烈的晃荡运动.     

超长桩施工中桩身稳定性的三维非线性有限元分析

随着海洋油、气开发活动逐渐由近海向深海发展，出现了大直径、超长、深贯入的打入桩，打桩施工中采用的桩锤也随之加重．由于桩的直径大，桩壁薄，在打桩施工前或施工中更换桩锤时，伸出海底面的接桩段在自重、锤重和环境荷载的共同作用下容易产生失稳破坏．借助三维有限元分析方法，考虑桩身变形的几何非线性特性，对实际工程进行了桩的自由站立稳定性模拟分析．研究了线性算法与非线性算法在结果上的差异，并对不同的桩身倾斜度、自由站立长度以及桩顶作用水平荷载等工况进行对比分析，总结规律性。研究结果表明，线弹性算法的计算结果偏于危险，桩身倾斜度、自由站立长度以及水平荷载的大小对桩的自由站立稳定性均有较大的影响．