基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

基于SPH方法的自由水面溢流过程开边界数值模拟

SPH方法是近年发展起来的流体数值模拟的一种新方法.目前,SPH方法流体模拟主要是经典的激波、Poiseuille流、Couette流、腔内剪切流及像溃坝一样的自由表面流动.均属于初始给定所有粒子的闭边界数值模拟.该文依据SPH方法,采用周期运动边界,实现了溢流坝自由表面流开边界数值模拟.计算水面线与物模实测结果吻合较好.     

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.     

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.     

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。     

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。     

基于MLSPH方法的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynam ics,简称SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法。SPH方法在解决自由表面流动问题时具有明显的优势,但同时也出现了计算精度低和稳定性较差的缺点。利用移动最小二乘SPH方法对自由移动粒子的密度进行周期性修正,模拟了二维溃坝自由表面流动,并将结果与传统SPH方法的模拟结果相比较。结果表明,移动最小二乘SPH方法降低了压力振荡,提高了计算精度,从而验证了此方法的有效性。     

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〗     

液滴撞击球面的撞击力特性数值研究

液滴撞击固体表面现象在很多领域十分常见且有重要作用。液滴撞击固体表面的撞击力特性是液滴撞击固体表面过程研究的重要特性之一,其研究近年来受到很多学者关注。该文采用有限体积法和VOF(Volume of Fluid)方法,通过Fluent仿真软件数值研究了液滴撞击球形表面产生的撞击力特性。数值计算结果表明,球面直径对液滴撞击其表面的撞击力有显著影响,在其它撞击条件相同情况下,球面直径越小,液滴撞击力峰值越小,撞击力峰值出现时间越早。通过分析数值计算结果,得到了无量纲撞击力随无量纲时间的变化曲线。数值计算结果也揭示了撞击力达到峰值时的液滴形态特征。