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。     

液固交互过程中固体破碎现象的实时模拟

提出一种适用于液固交互过程中的固体破碎模拟方法.针对传统液固交互边界处理算法复杂,难以实时模拟固体破碎的缺陷,本文基于SPH算法,提出对液体与固体使用统一的粒子表示,将预测校正方案应用于处理液固交互过程中固体之间的碰撞问题,从而将固体破碎过程简化为固体碎片边界粒子生成的过程,并使用形状匹配算法对固体碎片进行形状约束.实验结果证明,采用文中方法能够实时模拟出液固交互过程中,细节丰富的固体破碎现象,效果真实.     

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.     

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.     

应用SPH方法模拟近水面爆炸

应用无网格光滑粒子法对近水面爆炸问题进行了数值模拟,模拟再现爆轰产物、水以及空气多种介质间的相互作用过程。相对于传统的基于网格的数值方法,SPH方法的无网格、Lagrangian性质能够自然、简单地处理爆炸产生的大变形、多介质作用等问题。通过自编程序,选用有效合理的SPH理论方法再现了近水面爆炸的复杂物理现象,定性分析了近水面爆炸的密度和压强的分布情况。通过数值模拟,近水面爆炸的复杂物理现象得到了合理再现,同时验证说明了光滑粒子法能有效地对可压缩多介质流进行计算模拟。     

Automated design of threats and shields under hypervelocity impacts by using successive optimization methodology

In this study, predictive hydrocode simulations are coupled with approximate optimization (AO) methodology to achieve successive design automation for a projectile-Whipple shield (WS) system at hypervelocity impact (HVI) conditions. Successive design methodology is first applied to find the most dangerous threat for a given WS design by varying the shape and orientation of a projectile while imposing constraints on the total projectile mass and radar cross section (RCS). Subsequent optimization procedure is then carried on to improve the baseline WS design parameters. A parametric multi-layered stuffed WS model is considered with varying thicknesses of each layer and variable positions of the inter-layers while having a constraint on the areal density. HVI simulations are conducted by using a non-linear explicit dynamics numerical solver, LS-DYNA. Coupled finite element and smoothed particle hydrodynamics (SPH) parametric models are developed for the predictive numerical simulations. LS-OPT is employed to implement the design optimization process based on response surface methodology. It is found that the ideal spherical projectiles are not necessarily presenting the most dangerous threat compared to the ones with irregular shapes and random orientations, which have the same mass and RCS. Therefore, projectiles with different shapes and orientations should be considered while designing a WS. It is also shown that, successive AO methodology coupled with predictive hydrocode simulations can easily be utilized to enhance WS design.     

基于SPH消力池内陡坡水跃的数值模拟

为了满足明渠水流入流的边界条件,扩展SPH方法在明渠恒定流模拟中的应用,本文建立SPH方法的出入流模型,通过设置相应的出入流边界条件,研究不同坡度下消力池内陡坡水跃特性。针对两种不同流量,对斜坡坡角θ分别在20°、30°、45°条件下的陡坡水跃进行数值模拟。模拟结果与文献中的实验结果进行对比分析,结果表明:出入流模型能为陡坡水跃的数值模拟提供稳定的水流。各陡坡不同流量下水面线的变化趋势基本相同,误差均在±10%内;相同坡角时,单宽流量为0.063 m~2/s的消能效果均大于单宽流量为0.105 m~2/s的消能效果。该方法处理出入流边界简单,合理准确,能够较好地模拟不同坡度下消力池内陡坡水跃,得到陡坡水跃特性,具有一定的可行性和可靠性。     

WCSPH方法模拟三角形底板水跃特性

使用弱可压光滑粒子动力学（weakly compressible smoothed particle hydrodynamics,WCSPH）方法,对弗劳德数Fr=1.68～6.08和不同波长与波高(S/t）之比的三角形波状底板上的水流流态、流速云图以及流速矢量图、共轭水深、消能率等水跃特性进行模拟研究。经对比分析：数值模拟结果与试验结果吻合较好;三角形波状底板表面会产生顺时针漩涡增加能量耗散,提高消能率,其水跃长度比光滑底板的小,且消能效果优于光滑底板。通过分析不同工况的水跃特性,确定了最佳三角形波状底板,其可使共轭水深和相对水跃长度分别降低14.15%和24.83%,而消能率比光滑底板提高48.52%。     

反应堆堆芯先进中子学模拟软件SCAP-N研发

堆芯中子学计算是反应堆设计分析的基础,为提高堆芯中子学计算的模拟分辨率与计算精度,开发了反应堆堆芯先进中子学模拟软件（SCAP-N）。该程序首先根据轴向特征对堆芯进行分层,并逐层进行二维堆芯非均匀输运计算,再采用超级均匀化方法（SPH）获得栅元等效均匀化截面,最后进行三维堆芯逐棒（pin-by-pin）输运计算,获得堆芯有效增殖因子与精细棒功率分布。为提高程序计算效率,采用分布式/共享式（MPI/OPENMP）混合并行方式对程序进行了并行化开发。利用虚拟反应堆（VERA）系列基准例题及美国先进非能动压水堆（AP1000）启动物理试验实测数据对程序进行了测试验证。结果表明,相比于商用核设计程序系统,SCAP-N程序采用的逐棒输运技术能够提高堆芯中子学的计算精度。与同类型高精度中子学程序相比,SCAP-N具有更高的计算效率,可进一步提高核电厂的经济性及运行灵活性。