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.     

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.     

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。     

二维矩形水槽晃荡过程的SPH方法模拟

新型LNG船的液仓内液体晃荡涉及非线性自由表面大变形运动.针对容器的运动所激发的内部流体的强迫晃荡问题,该文运用光滑质点水动力学(SPH)方法对二维矩形水槽的纵荡过程和纵摇过程进行了数值模拟.纵荡过程中边界处的自由液面高度的时间历程曲线与前人的结果相比符合较好,结果还显示了当激励频率接近容器一阶固有频率时出现了对容器上边界的砰击和自由水面的破碎现象,并分析了砰击作用对计算的影响;同时考虑纵荡和纵摇激励时,模拟表明当相位相同时波面的运动幅度最小,而相位差为180度时波面的运动幅度最大,并且其综合效果是非线性的.     

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。     

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〗     

基于光滑粒子流体动力学方法的溃坝水流模拟

受全球气候变暖的影响,由极端天气引发的类似溃坝等问题发生的概率大大增加,深入研究溃坝水流的水动力特性势在必行。在分析光滑粒子流体动力学基本原理的基础上,提出了一种改进的边界处理方法,即将接近壁面的流体视为层流,在耦合动力边界附近引入层流黏性近似边界层理论。采用该方法对溃坝水流进行数值模拟,将SPH数值模拟得到的外轮廓、自由液面高度以及压力与实验结果进行了比较和分析。结果表明：改进的边界处理方法较完整地得到了水流与壁面相互作用而产生的多种复杂的物理现象,其外部轮廓与实验非常吻合;自由表面融合过程中液面间冲击的能量耗散会导致融合后的液面高度存在一些差异;不同监测点处压力随时间的变化基本落在置信区间之内。数值模拟结果与实验结果吻合度较高,验证了改进方案的可靠性和计算结果的准确性。     

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-ALE方法的波浪水槽数值模拟

为了精确模拟波浪传播,基于光滑粒子流体动力学及任意拉格朗日欧拉(SPH-ALE)方法建立二维数值波浪水槽,在原SPH方法中引入近似黎曼求解器替代人工黏性项,采用排斥力边界条件防止流体粒子穿透固边界,海绵层内采用指数型衰减函数来消除水槽末端的波浪反射,并对规则波的传播进行数值模拟。结果表明:与采用人工黏性项的原SPH方法相比,SPH-ALE方法能够无衰减地模拟波浪传播,并可有效减小固边界附近的粒子压力振荡。     

二维造流水槽整流装置数值模拟

水槽盲沟整流装置因其结构的复杂性难以在数学模型中建模。本文基于Owen等的金属筛网整流理论,建立了应用于SPH(WCSPH)方法的数值整流区域。基于弱可压SPH方法,建立了二维波流水槽的数值模型。通过将流速边界条件与周期性边界条件相结合,实现了稳定的流场。经过粒子间距有效性分析和与物理模型实验结果的对比,验证了数值模型的合理性。通过有无数值整流区域时水槽内部流场的稳定性对比分析,论证了数值整流区域可以降低水槽出水口处流态的不均匀性,达到与实际盲沟整流网相近的效果。因此,本文中的数值整流段可以模拟实际的整流装置。     

一种新型SPH固壁边界处理的排斥力模型

边界排斥力法是光滑粒子流体动力学(SPH)固壁边界处理的方法之一,但由于缺乏统一的排斥力模型而制约其广泛应用。考虑将近场动力学(Peridynamics,PD)中描述颗粒间接触作用的短程排斥力引入到固壁边界处理模型中,提出一种新型SPH方法边界排斥力模型。通过Couette流和溃坝2个算例验证了排斥力模型的有效性。排斥力表达式简单,参数易于给定,为SPH方法中固壁边界处理提供新思路。     

基于SPH方法的两平行平板间层流的数值模拟及验证

基于SPH方法的基本原理,综合考虑了对各种定解条件的设置,用Fortran语言独立编写了一套用于模拟两平行平板间层流的SPH二维计算程序,并应用于泊肃叶流和库埃特流的数值模拟之中,将模拟结果与理论解析解和通过Flow-3D软件数值模拟得到的数值结果进行对比,分析表明三种方法得到的计算结果非常吻合,从而实现了对SPH数学模型和SPH计算程序的验证,为SPH方法的进一步发展和广泛应用奠定了一定的基础。     

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。     

统一半解析边界处理SPH方法与不规则粒子分布

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法,其中合适的边界处理方法一直是方法取得高精度的关键。该文介绍了一种新兴的SPH边界处理方法——统一半解析壁面边界条件处理方法(unified semi-analytical wall boundary conditions,USAW),并提出了两种不规则粒子分布。USAW边界处理方法结合不规则粒子分布能更方便地求解复杂边界问题。模拟了Couette流、静水和楔形体溃坝等算例,验证了方法处理复杂边界问题的有效性。     

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.     

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。     

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...