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法的水沙二相流模拟研究进展

介绍了水沙二相流运动的研究现状和SPH法基本原理,阐述了在水沙运动模拟中引入SPH法的可行性,总结了基于SPH法的水沙二相流模拟技术研究进展情况。认为:①通过离散含沙量对流扩散方程,可建立悬沙浓度变化SPH模型,据此可求解从小到大不同尺度的非均匀挟沙水流的含沙量变化,给出"含沙量粒子"的时空变化信息;②基于质点动力学,可建立悬沙粒子运动SPH模型,据此可求解泥沙颗粒在非均匀水流中的小尺度运动方程,给出水沙二相流的时空变化信息。但是,悬沙浓度变化SPH模型的局限在于"含沙量"实质上还是时空平均特征;悬沙粒子运动SPH模型的局限在于目前它只适用于求解SPH粒子总量较少的流动问题。     

溃坝水流模拟方法的对比分析

采用FLUENT软件与光滑粒子流体动力学法(SPH)分别对溃坝水流进行数值模拟,对比分析溃坝水流的流动形态、流速及水位变化.结果表明,两者较为一致地反映了溃坝水流的流动过程及流体的速度场,其中SPH方法能精确地捕捉自由液面,所得自由水面附近结果更为准确;FLUENT所计算的流速、水位等数据更加精确,能很好地体现水流的表面张力.分析两种方法各自的优缺点和适用性,使其在面对复杂的工程实际问题时发挥更大的作用,促进溃坝洪水数学模型的应用与发展.     

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。     

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.     

光滑粒子水动力学在水利与海洋工程中的应用研究进展

将光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在水利及海洋工程中的应用分为纯水流模拟、流固耦合模拟、泥沙模拟和水气两相流模拟4大类问题,系统地介绍了SPH在解决这些问题时的技术手段与研究现状,指出了SPH独特的计算方法及其在处理无反射造波、进出流边界、流固界面运动、底床冲刷等问题中面临的困难,阐述了不同类型的SPH模型的优缺点,总结了SPH在过去十几年的发展特点,并提出未来SPH在水动力学领域的发展方向应该集中在开发高精度与高效率的新算法模型、成熟的紊流模型和高效的并行计算模型方面。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

纺锤形桩靴在饱和土中贯入过程涉及土体极大变形和复杂的土、水、结构三者耦合作用,由于网格畸变问题,采用传统网格类数值方法很难进行模拟。SPH无网格法借助于一系列粒子进行插值,粒子与粒子之间无联系,将偏微分形式的控制方程转化为常微分方程组进行求解,可有效避免网格畸变问题。基于土-水-结构耦合SPH无网格算法,对桩靴在中密、密实砂土及饱和黏土中的连续贯入过程进行模拟,研究土体存在极大变形条件下桩靴贯入阻力、超孔隙水压力及总应力等物理量在贯入过程中的变化规律,并与CEL大变形有限元分析结果及室内离心机测值进行对比和分析。研究结果表明:采用土-水-结构耦合SPH算法可以准确地捕捉土、水混合物发生大变形时的自由面特征、贯入阻力、孔隙水压力及超孔隙水压力等物理量。     

Two-phase SPH simulation of vertical water entry of a two-dimensional structure

In view of the fact that the SPH model is easy to handle the flows with the free surface of large deformation, a 2-D flow induced by vertical water entry of a 2-D structure is simulated using the two-phase SPH model. The local pressure of the boundary particles is obtained by pressure of the fluid particles nearby through a modified kernel approximation. To evaluate the accuracy of the method, water entry of a 2-D symmetric wedge with fixed separation point of the free surface on the wedge surface is simulated. The pressure distribution of the wedge at the initial stage agrees well with the analytical results available. Evolution of the free surface and the air flow in the cavity induced by the water entry are obtained. A higher speed air jet is found at the neck of the cavity when the neck of the cavity becomes smaller. For the case of a horizontal cylinder entering the water with an unknown separation point of flow on the model surface, the early stage of the water entry is simulated for the rigid body with different density. Evolution of the free surface deformation of the half-buoyant cylinder and neutrally buoyant cylinder water entry is compared with the experimental data. The effects of the density ratio and Froude number on the pinch-off of the cavity are discussed. It is found that the pinch-off time remains almost constant for different density ratio and Froude number. Meanwhile, for a given Froude number, the dimensionless pinch-off depth and the location of the cylinder at the time of pinch-off increase with the density ratio. Further, for a given density ratio, these two parameters increase with the Froude number and, however, the relative cavity shape appears to be a self-similar shape when Fr ?8.35.     

SPH simulation of green water and ship flooding scenarios

Flooding of a ship’s deck (greenwater) or within its internal compartments can severely restrict the operational ability of the vessel, and the safety of its cargo. In severe circumstances such as those produced by freak waves or hull damage, the vessel can become unstable causing it to sink and/or capsize. The flows produced by such events tend to be highly dynamic, with large amounts of free surface deformation. For this reason, SPH is a valuable method for predicting the physics of such flows. In this paper, SPH is used to predict fluid behaviour for two different flooding scenarios. The first is the interaction between a vessel (represented by a rigid body) and undulating travelling waves. The predicted water heights on the deck are compared to experimental results in [1]. The second is the transient flooding behaviour that occurs during, and immediately after a side collision between two vessels. Water heights are measured close to the point of impact within the vessel. The measurements are compared to experimental results in [2].

     

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.     

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.     

溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。