变质量体积SPH方法在Poiseuille流模拟中的应用

基于SPH方法(光滑粒子流体动力学)的基本原理,提出一种变质量体积的SPH方法。通过对变质量体积区域粒子采用双重标记的方法,模拟了Poiseuille流的运动过程,并将模拟结果与Poiseuille流的级数解和传统SPH方法数值模拟结果进行了比较,结果表明采用变质量体积SPH方法得到的模拟结果更接近于级数解。该方法为模拟水流与小尺度构件的相互作用等复杂流固耦合问题提供了一种有效的研究思路。     

基于SPH方法挑流水舌的数值模拟研究

以数值模拟挑流水舌的运动特性为目标,采用光滑粒子动力学方法,根据水气两相流的运动规律,建立掺气水舌的SPH数学模型,根据空气阻力的作用特性和自由表面判据,得到了空气阻力的计算关系式,提出了掺气水舌的SPH数值解法。针对桓仁水电站泄洪雾化,进行了掺气水舌的SPH数学模型实例研究,所得到的光滑粒子运动图像刻画了挑流水舌与空气的相互作用,模拟了挑流水舌的掺气过程,并得到了掺气水舌的厚度和速度随其曲线长度的变化关系。结果表明,桓仁水电站挑流水舌的外缘挑距模拟值为82.2 m,原型观测数据为80.2 m,计算误差为2.49%。掺气水舌的挑距模拟值与其原观值基本一致,证明了掺气水舌SPH数学模型模拟挑流水舌运动的有效性和可靠性。     

液滴冲击固体表面的光滑粒子动力学模拟

液滴冲击固体表面的现象广泛地存在于自然界和工业生产中,深入研究液滴冲击固体表面现象对环境工程、微纳米工程以及医药工程等领域有着十分重要的指导作用.该文采用光滑粒子动力学方法(SPH)对液滴冲击固体表面的现象进行了数值模拟.SPH方法是一种纯拉格朗日形式的无网格粒子方法,可以很容易的处理大变形、可变形边界、追踪自由表面以及运动界面.为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性,该文在传统SPH方法的基础上对粒子方法中的核梯度进行了修正,采用粒子间相互作用力的形式来模拟表面张力,应用改进的SPH方法对液滴冲击固体表面进行了数值模拟.计算结果表明,改进的SPH方法能够精细地描述液滴冲击固体表面所产生的铺展和飞溅等动力学特性,得到了稳定精确的结果,数值模拟结果与实验观察结果吻合较好.     

GPU加速的SPH方法在溢洪道水流模拟中的应用

基于拉格朗日描述的光滑粒子动力学方法（SPH）擅长于处理自由面剧烈变化的水流现象,十分适合水利工程中泄洪等问题的数值模拟。然而,SPH方法通常采用均匀分布的粒子对流体计算域进行空间离散,对于工程问题而言需要的粒子数量较多、计算量大。为了突破SPH方法在实际大规模计算中的适用范围,采用C++和CUDA混合编程的技术,借助GPU实现了对SPH方法的并行加速。通过WES三圆弧段组成的光滑溢洪道过流问题,验证了GPU加速的SPH方法的计算精度和可靠性,计算效率相对原始的SPH仿真过程提高了61.8倍。最后,将GPU加速的SPH方法应用于水利工程的溢洪道泄流问题,分别模拟了光滑溢洪道和台阶式溢洪道流动特性,通过自由面的演化过程及泄流沿程截面上的速度分布状态,对比分析了台阶对泄流现象的影响。 〖HT5”H〗关〓键〓词：〖HT5”K〗     

基于SPH方法的溃坝流动数值模拟

应用光滑粒子流体动力学方法对溃坝问题进行了数值模拟,在现有SPH 方法的理论基础上对密度近似方程进行了重新初始化处理,分析了密度重新初始化对溃坝流动问题的影响,并对SPH数值模拟所得到的结果与试验结果以及移动粒子半隐式方法得到的计算结果进行了比较和分析.结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,SPH方法数值模拟得到的结果与实验结果和MPS方法得到的结果非常吻合,验证了改进方案及所编程序的可靠性和计算结果的准确性.     

SPH方法和MPS方法模拟溃坝问题的比较分析

SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)方法和MPS (Moving Particle Semi-Implicit)方法是两种常用的无网格粒子法,在处理自由面大变形问题方面有较大的灵活性,然而这两种方法在数值格式、计算效率和收敛性等方面有许多不同之处.本文以二维溃坝问题为例对SPH方法和MPS方法进行了比较分析,结果表明:SPH方法易于给出更为清晰、光滑的自由面形状,而MPS方法给出的粒子分布较为凌乱;在收敛性上,随着初始粒子间距的减小,SPH和MPS均趋于收敛,但MPS方法收敛得更快些;对于时间步长,在满足CFL条件且计算稳定的情况下,对结果影响不是很大;在计算效率上,SPH方法具有较高的效率,适合求解大型复杂流动问题,而MPS方法计算量较大.通过对SPH方法和MPS方法的比较分析,为具体问题计算选用不同的无网格粒子方法提供了选择依据.     

SPH方法在自由面问题中的应用

作为无网格粒子法,SPH法在处理大变形、自由面流动问题时具有显著的优势.介绍了SPH法的基本数值方法,并基于SPH法数值模拟了2个二维溃坝问题,将计算结果与试验数据进行了比较,结果表明:SPH法在处理自由面时具有很强的适应性.尽管水面发生了翻卷、破碎等剧烈的变化,但SPH法仍然能够较好地捕捉到这些流动现象,同时数值模拟得到的水头位置和自由面形状均能与试验结果相吻合,表明SPH法在处理自由面问题时具有较高的准确性及可靠性.     

基于SPH的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学方法是一种新近发展的无网格数值方法,在处理自由表面等复杂边界、流体大变形方面具有显著优势.应用该方法求解了拉格朗日形式的Navier-Stokes方程,为提高计算精度,本文通过采用两种粒子模拟固壁边界,改进了计算方法.并对湍流、粘性流体、不可压缩问题进行求解.通过二维和三维算例对近岸水动力学中波浪传播、变形、与建筑物的相互作用问题进行了数值计算,验证了其可行性,并为SPH的进一步扩展和应用奠定了基础.     

立面二维水沙SPH数值模拟

SPH方法是立面二维水沙数值模拟较新的一种方法,但多限于初始给定所有粒子(闭边界)模拟.考虑到工程运用需要,运用SPH方法数值模拟,实现了无网格粒子方法在开边界中对立面二维水沙的模拟.本文通过两种不同的方法,得出SPH方法的模拟结果和天然河道的冲刷形态相似.     

大幅晃动液体冲击贮箱顶盖SPH-FEM数值模拟研究

该文应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元法(FEM)的耦合算法对矩形贮箱内液体大幅晃动冲击顶盖问题模拟研究。箱内流体域采用SPH粒子离散,贮箱固壁边界采用FEM离散,基于无网格粒子接触算法分析流体与固壁边界之间的耦合作用,将数值模拟结果与模型试验结果进行对比分析。在此基础上,数值计算高充液率贮箱在不同激振频率及幅值情况下晃动液体冲击顶盖现象,获取冲击顶盖的压力时程。结果表明:数值模拟结果与模型试验结果吻合较好,验证了此方法的可行性和有效性。高充液率情况下贮液箱较易发生液体晃动冲击顶盖现象,且当激振频率在接近液体一阶晃动频率时,随激振幅值增大而冲击压力峰值也随之增大,冲击压力过程呈现显著的震荡及随机特性。SPH-FEM耦合算法可进一步应用到其它复杂结构形式的贮液容器内液体晃动冲击问题研究中。     

基于SPH方法的二维宽顶堰溢流数值模拟

光滑粒子水动力学方法(SPH)是一种基于纯拉格朗日思想的无网格粒子方法,在众多科学和工程领域得到了初步应用。采用SPH方法对二维宽顶堰溢流进行了数值模拟,并利用机群进行并行计算来提高计算效率,将模拟数据与试验数据进行了对比。结果表明,SPH方法可以模拟出二维宽顶堰自由出流和淹没出流时水流流态、水跌、回流区、水跃现象,计算出溢流流量、流速等水力参数,并且采用数据拟合得出与理论相符的断面流速分布图。结果表明了SPH方法可以较好模拟二维宽顶堰溢流中的流速分布以及水面曲线。     

射流冲刷沙床初始阶段的SPH方法数值模拟

针对射流移动清淤时短时间内的冲刷效果问题,采用无网格光滑粒子动力学方法(SPH),对平面垂直淹没射流冲刷沙床的初始阶段进行了模拟计算。探讨了SPH中淹没环境和沙土材料的建立方法,研究了射流冲刷初始阶段动态冲坑深度的发展趋势,分析了射流速度对冲坑深度发展的影响。结果表明:采用SPH方法可以有效地模拟射流冲刷的过程;在初始阶段,冲坑深度随时间线性增加,而且随着射流速度的增加,坑深增加的速率加快。本文研究可为探讨疏浚射流破土效果提供数值方法参考。     

二维滑坡涌浪的SPH方法数值模拟

块体滑坡往往引起自由水面的剧烈变化，研究块体滑坡激发的水面波动一直是水利与海岸工程界非常感兴趣的问题。该文使用SPH方法（光滑质点水动力学）对水下块体下滑引起的自由表面水动力学过程进行了二维数值模拟，并将数值计算结果与试验数据作了对比，计算结果给出了块体下滑过程中，水体表面出现的二次卷破现象，以及在块体上方出现两个方向相反的旋涡，显示了SPH方法对处理块体下滑引起的自由表面大变形问题具有十分优越的特性。通过数值试验，文中还讨论了滑块下滑速度对自由表面破碎和形成的旋涡个数的影响。     

FLUID-STRUCTURE INTERACTION OF HYDRODYNAMIC DAMPER DURING THE RUSH INTO THE WATER CHANNEL

The hydrodynamic damper is a device to decrease the motion of armament carrier by use of the water resistance. When hydrodynamic damper rushes into the water channel with high velocity, it is a complicated flow phenomenon with fluid-structure interaction, free surface and moving interface. Numerical simulation using the Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH） method coupled with the Finite Element （FE） method was successfully conducted to predict the dynamic characteristics of hydrodynamic damper. The water resistance, the pressure in the interface and the stress of structure were investigated, and the relationship among the peak of water resistance, initial velocity and actual draught was also discussed. The empirical formula was put forward to predict the water resistance. And it is found that the resistance coefficient is commonly in the range of 0.3 ≤ C ≤ 0.5, when the initial velocity is larger than 50 m/s. It can be seen that the SPH method coupled with the FE method has many obvious advantages over other numerical methods for this complicated flow problem with fluid-structure interaction.     

近边界面的水下爆炸冲击波传播特性及气穴效应

炸药在水下起爆后,产生的冲击波在传播过程中将主要遇到两种边界面:自由水面和结构面边界,而这些边界面的存在将显著影响冲击波的传播特性。考虑冲击波与自由面及结构面的动态耦合相互作用,基于Lagrangian-Eulerian耦合算法,建立了近边界面水下爆炸全耦合模型,通过与已有文献的研究成果及经验公式进行对比,验证了数值模型的可靠性;对自由场、近自由面、近背空气结构面及近背水结构面水下爆炸的冲击波传播特性进行了系统的研究,探讨了不同边界面条件下的水下爆炸冲击波传播特性机制。研究表明,近边界面对水下爆炸冲击波传播特性具有重要的影响,近自由面和近背空气结构面水下爆炸均产生了气穴效应。     

Tracking methods for free surface and simulation of a liquid droplet impacting on a solid surface based on SPH

With some popular tracking methods for free surface, simulations of several typical examples are carried out under various flow field conditions.The results show that the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is very suitable in simulating the flow problems with a free surface.A viscous liquid droplet with an initial velocity impacting on a solid surface is simulated based on the SPH method, and the surface tension is considered by searching the free surface particles, the initial impact effect is co...     

基于SPH方法实用堰水流的数值模拟

以数值模拟实用堰水流为目标,采用光滑质点水动力学方法,根据流量与上游水深关系,得到SPH方法推板模型入流边界。针对SPH方法明渠流动中的入流边界问题,利用添加推板模型的SPH方法对二维实用堰溢流水力特性进行数值模拟,获得实用堰水流水力特性,并进行物理模型试验,验证添加推板模型SPH方法的有效性。通过对流场、断面平均流速对比分析,结果表明:推板模型结果与试验结果吻合较好,推板模型可以准确的描绘水流运动状态;通过流量对比分析,在溢流过程中,推板模型与试验结果平均值相差-1.43%,推板模型可以保持实用堰上游水位恒定,提高计算精度。研究成果初步验证了推板模型的可靠性,为SPH方法入流问题提供了新的解决方法,具有一定的参考价值。     

考虑球面波效应的水下爆炸冲击因子

水工建筑物的安全防护关系着国防和民生安全,目前还缺少有效的指标评估水下爆炸冲击波对大坝等结构的作用。水下爆炸冲击波通常以球状向四周传波,本文推导了球面波作用下结构的总能量,由此建立了水下爆炸冲击因子衡量结构的振动与变形响应。针对正面挡水、背面临空的平板结构,分别开展了数值模拟及离心水下爆炸试验研究,通过数值模拟,验证了在相同冲击因子条件下,爆距的变化几乎不影响平板产生的应变能和动能。随后采用本文所得的冲击因子对离心水下爆炸试验结果进行整理,并与传统的比例距离、平面波冲击因子等指标的分析结果进行对比。本文所得的冲击因子可以统一描述近场和远场水下爆炸作用。     

Numerical simulation of hydro-elastic problems with smoothed particle hydrodynamics method

Violent free surface flows with strong fluid-solid interactions can produce a tremendous pressure load on structures, resu-lting in elastic and even plastic deformations. Modeling hydro-elastic problem...