自由表面翻卷与破碎流动的SPH数值模拟

对SPH方法模拟复杂强非线性自由表面流动的计算精度进行对比研究.介绍了SPH方法的基本原理,给出SPH方法的求解控制方程.探讨了人工可压缩性、边界条件、时间步进、位置修正方法的处理方法.对强非线性自由表面流动的典型情况涌浪问题进行了数值模拟,包括了波面的抬升、翻卷、重入和破碎等不同阶段.通过与边界元方法的比较分析,明确SPH方法模拟强非线性自由表面问题的规律和特点.     

自由表面流动的三维SPH数值仿真研究

使用三维光滑粒子动力学(SPH)方法研究了自由表面流动问题,使用自编的三维SPH程序完成了溃坝算例。三维SPH模拟结果与两维SPH结果及实验结果保持一致,验证了三维SPH方法的可行性.数值仿真结果表明,在三维溃坝过程中,流体的形状、位置、速度等主要物理现象可以很好地进行模拟.通过合理地设置输入条件、边界条件及状态方程等仿真控制参数,提出的三维SPH方法可以很容易地进行扩展,可以处理许多其它的三维流体仿真问题.     

基于GPU并行的改进SPH方法对粘性流场的模拟

光滑粒子水动力学(SPH)方法对模拟破碎波问题有着良好的适应性。基于众核架构的GPU计算平台在加速SPH方法方面有着强大的优势。针对传统SPH方法计算效率低和计算精度差的问题,采用δ-SPH方法对腔内剪切流动、Poiseuille流动、Couette流动问题、孤立波砰击问题进行了模拟,并且提出一种基于粒子对的GPU并行计算方法。通过比较,得到不同边界处理方法对粘性流场模拟结果的影响规律,并且研究基于粒子对和单个粒子2种不同GPU并行计算方法,对比不同计算方法的精度和CPU时间。结果表明,采用粒子对的GPU并行方法可以使δ-SPH方法的最大加速比超过10。     

以Casson方程表征的血液在圆管中流动的稳定性研究

本文利用稳定性涡流模型,以Casson方程作为血液的本构方程,研究了具有不同屈服应力的血液在圆管中流动的稳定性问题,建立了判别其流动状态的判据,获得了广义临界雷诺数、临界压力梯度与管径的变化关系。为在层流条件下的血流动力学、流变学以及体外模拟等理论或实验研究提供了稳定性方面的理论依据。     

二阶核近似SPH精度分析及其在粘性流场中的应用

SPH方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法.本文针对传统SPH方法核近似精度较差的特点,介绍二阶核近似SPH方法(K2_SPH).通过与传统SPH方法和移动最小二乘法的对比分析,得到K2_SPH方法核近似的精度特点,然后应用K2_SPH方法对无网格计算方法经典算例之一的平板流体问题进行研究.结果表明,随着核近似精度的改进...     

一种扩展的功能磁共振BOLD动力学模型研究

结合Friston的BOLD动力学模型与Agnes Aubert建立的脑电生理和代谢藕合模型,提出了一种扩展的BOLD动力学模型。对改进的模型讨论了血液动力学模型血流的非线性特性,把脑的新陈代谢与血动力学模型的血流、血体积关联起来,并对BOLD模型中的输入信号进行研究。得到了能更好地模拟实际生理过程的仿真结果。     

冠状动脉对称双路移植管中血流动力学的数值模拟

作为对传统单路动脉移植管旁通术的改进,提出了一种新的双路对称移植管旁通术的几何构型.采用有限元法数值模拟了新构型中生理真实的血液流动,得到并分析了1个心动周期内,缝合区附近血流动力学参数,如流形、压力和壁面剪应力等的时空分布情况.计算结果表明,双路对称移植管旁通比单路旁通具有更好的血流动力学特性,流场得到明显的改善,从而可以减小再狭窄的可能性.     

SPH真实感流体交互模拟的改进算法

针对目前流体仿真中存在的模拟效率低及模拟交互的真实感不足等问题,提出一种基于光滑粒子流体动力学的流体模拟改进算法。首先,采用光滑粒子流体动力学方法进行粒子系统建模,通过矫正压力及速度场保证流体求解方程的精确性和稳定性;然后通过简化流体计算模型,完成流体表面建模,提高流体表面渲染速度;最后使用硬件加速算法实现流体模拟的快速渲染,提高流体的真实感和交互的实时性。实验结果表明,该算法能够明显提升流体渲染的真实感,减小计算复杂性。大规模粒子实时模拟帧率达到20帧/s,实现了较为真实的交互应用。     

基于CT图像的胸主动脉瘤模型构建及分析

三维重建基于CT的胸主动脉瘤有限元模型并进行血流动力学数值模拟,为分析胸主动脉瘤的血流动力学机理及其临床治疗提供理论依据.依据临床胸主动脉瘤患者CT数据,结合M IM ICS 11数字化影像处理软件,获取胸主动脉瘤的优化表面模型.随后导入ANSYS ICEM CFD11.0进行胸主动脉瘤模型的有限元网格划分.最后在ANSYS CFX11.0中完成胸主动脉瘤的血流动力学分析.建立了临床上适用于胸主动脉瘤患者血流动力学分析的有限元模型.获得了个性化胸主动脉瘤模型中血液流场的流线、速度矢量、血管壁面压力和血管壁面切应力的分布和变化.模型具有数字化、个性化特征,可用于胸主动脉瘤血液动力学计算,分析临床胸主动脉瘤患者动脉瘤的破裂机理.     

无网格方法在爆轰数值模拟中的应用

以SPH算法为代表的无网格方法在爆轰波的数值模拟中具有明显的优势,采用SPH算法模拟高能炸药水下爆炸爆轰过程,得到了压力、速度等时历曲线.将数值模拟结果与理论和实验方法得到的结果进行了对比分析,表明SPH算法非常适宜处理高能炸药水下爆炸的极短瞬时具有大变形和高度非均匀的动力学极端情形,且求解结果已达到了较高的精度。     

齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失

齿轮箱飞溅润滑具有齿轮旋转、两相流及流场分布复杂等特点,难以通过理论或实验进行研究;在计算流体动力学方法上,传统的网格法存在动网格处理困难、计算成本高的弊端.针对以上问题,提出运用移动粒子半隐式法(MPS)对齿轮箱飞溅润滑开展仿真分析. 在低转速时,设置不同润滑油型号和温度工况,发现润滑油流场分布情况与试验结果较一致. 在高转速时,设置不同的油温工况,发现相对光滑粒子流体动力学方法(SPH),基于MPS方法数值计算所得的齿轮搅油力矩损失准确度更高,能够准确预测力矩损失变化趋势,但力矩损失预测误差较大,须进一步改进和完善. MPS方法严格保证了流体的不可压缩性,易于追踪捕捉大变形和强非线性化的自由液面,能够较好地分析预测齿轮箱飞溅润滑流场的分布效果.     

Fast and Stable Surface Feature Simulation for Particle-Based Fluids

In order to efficiently and realistically capture microscopic features of fluid surface, a fast and stable surface feature simulation approach for particle-based fluids is presented in this paper. This method employs a steady tension and adhesion model to construct surface features with the consideration of the adsorption effect of fluid to solid. Molecular cohesion and surface area minimization are appended for surface tension, and adhesion is added to better show the microscopic characteristics of fluid surface. Besides, the model is integrated to an implicit incompressible smoothed particle hydrodynamics (SPH) method to improve the efficiency and stability of simulation. The experimental results demonstrate that the method can better simulates surface features in a variety of scenarios stably and efficiently.     

基于SPH耦合有限元法的喷丸残余应力场数值模拟

针对有限元方法不能有效模拟喷丸加工过程中大量弹丸反复冲击的现状,使用光滑粒子流体动力学法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)耦合有限元法(finite element method, FEM)模拟喷丸强化过程。工件采用FEM建模,弹丸采用SPH建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟弹丸对工件的强化作用。提出弹丸流的材料模型,分析了相关参数对工件残余压应力分布和能量利用率的影响。结果表明,随着弹丸打击次数的增加,工件表面残余压应力分布逐渐趋于稳定;高覆盖率能有效改善工件表面残余压应力分布,低覆盖率则会降低喷丸效果;适当提高弹丸速度虽然可以使残余应力层深度和最大残余压应力值增加,但会降低能量利用率。通过与相关实验数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

山区河道溃坝水流数值模拟

为了研究溃坝水流在山区河道中的传播,采用SPH方法来求解2维浅水方程,建立了溃坝水流数值模型.SPH方法由于是拉格朗日法,在处理对流主导的问题具有很好的稳定性与精度,且是无网格方法,无需划分网格和判定干湿网格,很好地解决了山区河道溃坝水流流速急,水位变幅大,动边界变化频繁,计算区域难确定等问题.采用该模型模拟了山区河道的溃坝水流,初步再现了溃坝水流的流动过程,分析表明模拟结果是合理的,因而采用SPH方法对溃坝水流进行模拟是可行的.     

压裂液滤失的二维数值模拟

结合油藏工程和数值模拟技术 ,根据压裂施工过程中滤失的压裂液在地层中二维流动和压裂液为非牛顿型流体的实际 ,建立了非牛顿型压裂液的二维动态滤失模型 ,用数值方法求解 ,并将计算结果与一维模型结果进行对比分析。计算表明 :仅考虑压裂液垂直于裂缝壁面一维流动所计算的滤失速度会偏小 ,并且这种差值会因地层渗透性的增加而加大。二维方法由于考虑了压裂液的非牛顿特性和二维流动 ,其结果也比一维模型更符合现场实际 ,可以减少压裂施工的风险 ,提高压裂设计的可靠性。     

考虑裂隙的多孔介质中对流扩散现象的仿真模拟

为研究裂隙多孔介质中的对流扩散现象,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法从孔隙尺度下模拟了裂隙中孔隙水的流动过程,仿真实现了考虑裂隙时溶质穿透多孔介质的真实运移过程,并提出一种简化处理的两流区模型对穿透过程加以描述.计算中首先采用SPH方法求解纳维斯托克斯方程,建立能考虑复杂多孔颗粒边界的二维流场模型,并基于此模型进行了溶质穿透三种不同裂隙宽度的多孔介质的仿真实验.随着介质中裂隙宽度增大,裂隙区域流速与基质区域流速差增大,穿透曲线中早期穿透和拖尾现象越明显;采用两流区模型能够描述这一现象,但一般化的模型难以得到精确解,因此提出一种简化处理办法,并给出了该简化模型的解析解.结果表明,该简化模型能够很好地描述裂隙多孔介质中溶质的运移规律,并可反演得到裂隙流中对流扩散的相关参数.     

Two-phase smooth particle hydrodynamics modeling of air-water interface in aerated flows

The large deformations associated with air and water interactions are critical factors that affect the hydrodynamic characteristics of hydraulic structures. As a type of Lagrange meshless particle method, smoothed particle hydrodynamics (SPH) has been shown to have many advantages when modeling the interface flow and tracing the free surface because the particles inherit the velocity, mass, and density properties. Significant theoretical and numerical studies have been performed recently in this area. In the present study, a two-phase SPH framework was developed based on these previous studies and we explored its capacity to capture the main features of large density ratio aerated flows. The cohesive pressure was included only in the momentum equation of the air phase for additional amendments to ensure the stability and accuracy of the two-phase SPH model. Three case studies were performed to test the performance of the two-phase SPH model. A convergence study demonstrated the need to balance the CPU time consumption and the real-time requirements. A dam-break simulation based on pressure variation in the air pocket showed the superior analytical performance of the two-phase model compared with the single-phase model. The results of a hydraulic jump simulation were compared with the theoretical results in order to understand the collision between the solid and liquid using the SPH method more clearly. Thus, the consistency between the simulation and the theoretical and experimental results demonstrated the feasibility and stability of the two-phase SPH framework.     

考虑基层裹挟的碎屑流铲刮效应数值模拟

基于碎屑流铲刮基层的作用机理,引入浓度悬浮模型用于描述混合区土体动力特性,采用考虑基层裹挟的Herschel-Bulkley-Papanastasiou（HBP）模型描述高速运移的碎屑流与基层材料裹挟掺混的动力过程,并采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法求解. 选择典型小比尺室内模型试验验证该方法的有效性,计算所得滑体最终堆积形态和碎屑流影响范围与试验结果一致. 在此基础上开展基层材料物理力学参数的敏感性分析,结果表明,在一定范围内基层厚度增加将导致侵蚀深度增大并收敛于某极限值. 基层材料的内摩擦角、黏聚力和动力黏度的增加均会减少碎屑流对基层的铲刮效应和基层隆起范围,但内摩擦角和动力黏度的增加对基层隆起范围影响较小. 在合理土体物理参数范围内,仅黏聚力的增加即能显著抑制以上2种现象.