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.     

用MPS方法数值模拟低充水液舱的晃荡

液体晃荡是一种非线性的自由面流动现象.在低充水率下,由于液体具有很大的运动空间,晃荡现象具有强烈的非线性特征,自由面的变形较大,剧烈时甚至会翻卷和破碎,这给数值模拟带来很大挑战.本文基于移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-Implicit,MPS)对低充水率的液舱晃荡问题进行了数值模拟.结果表明:当激励频率等于共振频率时,液体撞击到了液舱的顶板,并出现了飞溅现象,此时液体对侧舱壁产生了较大的抨击压力;在低于共振频率时,自由面出现了破碎波及波前的翻卷和融合等现象,抨击压力相对较小.计算结果表明,MPS方法能够很好地预测晃荡引起的拍击现象,数值计算得到的压力能够与实验结果很好地吻合.在自由面的追踪上,MPS方法具有很大的灵活性,能够很好地处理自由面的破碎、融合及液体的飞溅等流动现象.     

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.     

三维紊流模型在丁坝水流中的应用研究

 基于RNG紊流模型,采用VOF法、空度法和璧面函数法分别处理自由面、不规则边界和壁边界,对丁坝附近的水流进行了模拟和研究。采用先进的瞬时流场测量仪器——PIV来测量丁坝的局部平面和剖面流场,对建立的模型进行了验证。模型计算结果与水槽试验和他人试验资料吻合较好,表明模型能够模拟多种情况下的丁坝流动规律及自由面变化。     

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。     

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.     

模拟二维水下爆炸问题的光滑粒子(SPH)方法

水下爆炸涉及两相流,是一个动边界的问题,迅速变化的气-液交界面给传统的基于网格的数值方法带来了严重的挑战。SPH法是一种拉格朗日方法,该方法可以准确且有效地捕捉气-液交界面。论文应用光滑粒子(SPH)法来模拟水下爆炸过程,特别给出了光滑长度的选取方法和优化算法。最后,通过两个算例验证该方法,数值模拟结果表明,光滑粒子法在处理水下爆炸这样的大变形和强非线性问题方面具有精度高、耗时少、数值稳定等优点。     

一种稳定的移动粒子半隐式法

该文提出了一种稳定的移动粒子半隐式法(MPS)。分析了MPS方法求解封闭区域流动的有解条件、自由面流动中粒子以较大速度撞击壁面或液面时出现的不稳定现象。为了解决这些问题,提出了Navier-Stokes方程新的求解算法和自由面边界处理方法。改进后的MPS方法提高了计算的稳定性,采用该方法成功模拟了自由面流动的溃坝现象,从而验证了该方法的有效性。     

桐子林水电站明渠弯道流场三维数值模拟

采用κ～ε紊流模型结合自由面追踪的VOF方法对桐子林水电站明渠弯道消力池流场进行了三维数值模拟,并与物理模型试验值进行了比较,结果表明,计算值与试验值吻合良好.数值模拟获得了物理模型试验难以测量的流场详细信息,尤其是横向紊动特性及其发展演变的过程,结果令人满意.计算结果为导流明渠体型优化提供了重要参考,表明数值模拟应用于导流建筑物的体型优化研究中具有独特优势.     

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〗     

Smoothed particle hydrodynamics and its applications in fluid-structure interactions

In ocean engineering, the applications are usually related to a free surface which brings so many interesting physical phenomena(e.g. water waves, impacts, splashing jets, etc.). To model these complex free surface flows is a tough and challenging task for most computational fluid dynamics(CFD) solvers which work in the Eulerian framework. As a Lagrangian and meshless method, smoothed particle hydrodynamics(SPH) offers a convenient tracking for different complex boundaries and a straightforward satisfaction for different boundary conditions. Therefore SPH is robust in modeling complex hydrodynamic problems characterized by free surface boundaries, multiphase interfaces or material discontinuities. Along with the rapid development of the SPH theory, related numerical techniques and high-performance computing technologies, SPH has not only attracted much attention in the academic community, but also gradually gained wide applications in industrial circles. This paper is dedicated to a review of the recent developments of SPH method and its typical applications in fluid-structure interactions in ocean engineering. Different numerical techniques for improving numerical accuracy, satisfying different boundary conditions, improving computational efficiency, suppressing pressure fluctuations and preventing the tensile instability, etc., are introduced. In the numerical results, various typical fluid-structure interaction problems or multiphase problems in ocean engineering are described, modeled and validated. The prospective developments of SPH in ocean engineering are also discussed.     

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。     

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...     

SPH方法在自由表面流体研究中的应用

对光滑粒子流体动力学法(SPH方法)的发展背景、理论基础等进行介绍,总结了SPH方法在溃坝、海冰和河冰模拟、船舶流体力学等具有自由表面的流体研究中的应用现状,认为作为一种无网格的纯Lagrange方法,SPH方法较传统的基于网格的模拟方法具有不可比拟的优势。最后分析了SPH方法的缺陷及目前研究中的不足,并就今后的研究方向和发展趋势提出自己的看法。     

基于SPH法的正弦形消力池底板水跃现象数值模拟

利用光滑质点水动力学法(SPH方法)对正弦形消力池底板上的水跃现象进行数值建模,共模拟2种波形5种工况。将SPH方法的模拟值与已有文献的试验值作对比,验证数值模型及数值方法研究此类问题的可行性和适用性,并分析水面线、流速分布、跃长、共轭水深、消能率等水跃特性的变化规律。结果表明:SPH方法模拟结果与试验结果吻合度较高;水跃段流速分布不均匀、自由表面波动较大,且流层间存在相对运动从而形成旋滚,同等条件下随着弗劳德数的递增,掺气量和自由表面破碎现象越来越剧烈,旋滚的影响范围逐渐变大;正弦形底板消能率较光滑底板提高10%左右且所有工况消能率均在47%以上。     

On the modeling of viscous incompressible flows with smoothed particle hydrodynamics

Smoothed particle hydrodynamics(SPH) is a Lagrangian, meshfree particle method and has been widely applied to different areas in engineering and science. Since its original extension to modeling free surface flows by Monaghan in 1994, SPH has been gradually developed into an attractive approach for modeling viscous incompressible fluid flows. This paper presents an overview on the recent progresses of SPH in modeling viscous incompressible flows in four major aspects which are closely related to the computational accuracy of SPH simulations. The advantages and disadvantages of different SPH particle approximation schemes, pressure field solution approaches, solid boundary treatment algorithms and particle adapting algorithms are described and analyzed. Some new perspectives and future trends in SPH modeling of viscous incompressible flows are discussed.     

水流结构相互作用的粒子法数值仿真

提出了光滑质点水动力学法,对具有自由面的水流(体)与建筑物相互作用问题进行了数值仿真。应用该法求解了拉格朗日形式的纳维埃—斯托克斯方程,并对方程中的梯度、散度与拉普拉斯等项进行了相应的处理。光滑质点水动力学法具有计算格式简单、易于跟踪自由面和计算大变形问题等优势。最后,给出了水流(体)与建筑物相互作用的两个计算实例,结果表明,计算结果与其他方法给出的数据符合良好。     

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。