基于C++AMP的两相并行SPH 流动模拟

随着多相流技术在石油工业的地位的提高,对多相流动数值模拟的要求也随之提高。传统的基于网格的数值方法如FDM和FEM处理运动交界面位置时十分困难,近些年兴起的无网格方法则善于处理该类问题。SPH是无网格方法中一种较为成熟的方法,相比其他无网格数值方法,基于粒子构架的性质使得SPH法在追踪相间边界的移动变化上有天然优势。为提高程序效率和数据处理能力,对SPH两相流动模拟进行了并行化处理,并行手段为在GPU上使用C++AMP技术。GPU有利于计算流体动力学方法的并行化处理,与传统异构计算技术如CUDA和OpenCL相比,C++AMP在GPU上的并行处理无需预编译,更加简便。通过算例对串行和并行SPH两相流动模型进行了比较,结果表明,并行后的程序有显著的效率提升。     

光滑粒子流体动力学方法在拱坝中孔泄流冲击水垫塘模拟中的应用

为验证光滑粒子流体动力学方法的计算程序对自由表面大变形问题的模拟结果是否准确,基于光滑粒子流体动力学方法,建立溃坝模型,通过与物理模型试验结果对比,两者自由液面相似度为91.7％,内部压强分布合理,说明该程序能相对准确模拟流体大变形问题.在此基础上,建立了拱坝泄流模型,模拟了中孔泄流冲击水垫塘过程,结果显示:下泄水流流...     

基于涡粒子的真实感烟雾快速模拟

基于物理的流体模拟方法通过数值求解流体的控制方程可获得逼真的模拟结果,但求解中易产生数值耗散造成流体细节丢失.本文提出采用涡粒子模拟流体,通过求解涡度形式的流体控制方程获得涡度场,再将涡度场转换为不可压的速度场,可降低对流数值耗散,自动保证速度场散度为零,因而能够保持更丰富的流体细节.针对算法在涡度转换为速度时需求解泊松方程的性能瓶颈,基于图形处理器（GPU）设计并实现了一个高效的预条件共轭梯度法求解方程,比现有求解器加速超过10倍.实验结果表明,与现有方法相比,本文算法能够获得真实感更强的流体模拟效果,且模拟速度显著提升.     

二阶核近似SPH精度分析及其在粘性流场中的应用

SPH方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法.本文针对传统SPH方法核近似精度较差的特点,介绍二阶核近似SPH方法(K2_SPH).通过与传统SPH方法和移动最小二乘法的对比分析,得到K2_SPH方法核近似的精度特点,然后应用K2_SPH方法对无网格计算方法经典算例之一的平板流体问题进行研究.结果表明,随着核近似精度的改进...     

有界压缩VOF算法在界面流问题中的应用

通过在界面标识方程中引入人工压缩项,采用基于非结构网格的高分辨率有界格式,编程实现了一类适合模拟复杂界面流问题的VOF(Volume of Fluid)方法.这类VOF方法可以自动处理界面的拓扑演化,无须进行实时的界面重构,提高了计算效率.应用这种基于有界压缩思想的界面流模拟方法,对三维Rayleigh Taylor不稳定性问题进行了并行模拟.计算结果与相关文献的数据吻合较好,证明了算法的可靠性.研究了密度差和Reynolds数对界面演化的影响,分析了在不同Atwood数下鞍点结构演化规律的异同,对于Reynolds数小于282的界面流问题黏性起着很明显的作用,而Atwood数的影响限于低密度差的界面流动问题,即Atwood数小于0.90的情形.     

Level Set方程在气-液两相流分层流数值模拟中的应用

随着计算机技术和科学计算技术的发展,数值模拟方法成为研究气液两相流的一种重要方法.介绍了界面追踪的Level Set方法,并通过求解原始变量不可压N-S方程和Level Set方程模拟平行平板间气液两相分层流动,并得到不同气液相雷诺数时,气液相界面和截面流速随时间的变化情况,为研究气液两相流动提供了一个新的研究方法.     

多重网格方法求解结构动态响应中的几种不同循环算法的比较

利用多重网格方法能将网格离散过程和数值求解过程充分结合的特性,将多重网格方法应用于结构动响应的求解,编制了多重网格求解程序,并通过算例对程序的正确性进行了验证。分别应用不同的多重网格循环算法,应用该程序计算薄板的动响应,得出多重网格方法具有精度高、收敛速度快和易于实现的特性。在对几种循环进行比较后,提出了N循环算法,通过算例说明本文提出的N循环算法优于常用的V循环和W循环。     

两种OFDM多普勒估计算法在水声信道中的比较

为了消除多普勒频偏影响,通过水上实验对两种OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）水声通信多普勒估计算法进行对比。基于拷贝相关时延差估计的多普勒估计算法结构简单、易于实现;基于空载波的算法较复杂,但精度较高。利用两种方法对相同的实验数据进行多普勒估计和补偿,并对其通信误码率进行对比。研究结果表明,在慢变的信道中两者的误码率基本相同,但在快变的信道中基于空载波的算法更稳定。     

基于寄生模型的粒子群算法在气动优化中的应用

为了解决粒子群算法(PSO)在寻优过程中全局最优和局部最优的矛盾,通过在粒子群算法中加入寄生模型,发展了一种基于寄生模型的改进粒子群算法(SPPSO)。对提出的模拟寄生算法(SP)进行了分析与验证,并将其引入到粒子群算法中,丰富了粒子之间的优势信息源,增强了粒子的信息共享能力,使得SPPSO算法能够有效地跳出局部最优。函数测试表明,该算法显著提高了PSO算法的寻优性能。将SP及SPPSO算法应用于翼型的气动优化设计中,取得了良好的效果,从而表明提出的算法准确有效,具有良好的实用性。     

On the correction of the boundary deficiency in SPH for the frictional contact simulation

Smoothed particle hydrodynamics(SPH)is a mesh-free method which is powerful for large deformation computation of soils.However,the algorithm for the simulation of frictional contact which is common in geotechnical engineering is still quite immature due to the boundary deficiency.In this study,the cause of boundary deficiency in the SPH simulation for frictional contact is analysed.Then,based on mathematical derivation,the method to correct boundary deficiency related to frictional contact is discussed theoretically,where the frictional contact algorithm is established by dividing the computational domain into several subdomains according to the existing contact boundaries and by using contact forces as bridges of these subdomains to fulfil problem solving,and the value of correction coefficient is obtained by comparing the SPH outcome of the contact particles with that calculated through Newton’s second law of motion.At the same time,from the perspective of numerical computation,an optimized value for the correction coefficient is proposed,and a thorough investigation is performed on the cubic spline kernel function and quintic spline kernel function,whose correction coefficients are found to be 2.0 and[2.0,2.16],respectively.Finally,numerical tests are carried out to verify the proposed method.The outcome of the study is helpful to providing theoretical support for the research of frictional contact simulation within the framework of SPH.     

SPH耦合FEM模拟弹丸撞击对表面形貌的影响

为消除有限元法(finite element method, FEM)处理切屑分离及大变形问题的局限,使用光滑粒子流体动力学法(smooth particle hydrodynamics, SPH)耦合FEM模拟此类问题。工件使用SPH建模,弹丸使用FEM建模,二者通过接触算法实现耦合,通过仿真实验研究锐边弹丸在不同入射条件下撞击工件时,弹丸的翻转效应对工件表面弹坑深度、切屑堆积高度的影响。结果表明:当前倾角较大时,弹丸向前翻转,对工件表面产生碾压作用,形成尖锐的弹坑,切屑堆积在弹坑前部边缘不与工件分离;当前倾角较小时,弹丸向后翻转,对工件表面产生铲削作用,切屑与工件分离,弹坑横截面光滑而平缓。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型及结果的正确性,为锐边弹丸侵蚀工件表面的仿真研究提供新的手段。     

二维不可压N-S方程二次四边形单元有限元解

粘性不可压流体问题是众多工程中重要的力学问题.数值求解Navier-Stokes方程会遇到两大困难：非线性和不可压性.针对二维不可压Navier-Stokes方程的特点,建立了以流函数为求解变量的四阶微分控制方程,有效地避免了处理涡量边界的难题.采用8节点二次四边形单元,单元基函数为2次非线性高阶函数,建立了求解二维不可压N-S方程的有限元方程,并自主开发了二次四边形单元有限元程序.数值实验结果验证了该方法的精确性和可靠性.因此,该方法在计算流体力学中有较好的应用前景.     

三维叶栅流道中不可压势流的边界元计算程序

本文采用边界元法求解三维无粘不可压流动问题。通过详细的数学推导,得到了三维边界元法在区域边界上数值离散后的代数方程,并以此方程编制了计算机程序。三维管道的计算结果表明,本文的尝试是成功的。用边界元法求解叶轮机内三维流动问题是一种现实可行的新方法。     

光学元件研磨加工裂纹形成过程数值模拟

针对传统有限元方法过度依赖于网格,计算时磨粒和工件接触区域的网格畸变严重,很难模拟脆性材料加工中材料内部裂纹的形成过程这一问题,利用光滑粒子流体动力学法建立单个磨粒切削加工过程的FE/SPH耦合有限元模型,对熔石英材料研磨过程进行数值模拟,为脆性材料切削过程的仿真提供了新途径.系统分析研磨加工中亚表层裂纹的形成过程以及切削参数对亚表层裂纹深度的影响规律.仿真结果表明:磨粒刚开始切入工件时材料处于弹/塑性变形阶段,随后在磨粒的挤压及撕扯作用下,材料内部产生大量微裂纹,微裂纹的合并、连通和扩展最终形成了平行于工件表面的横向裂纹和垂直于工件表面的纵向微裂纹,导致工件材料的脆性断裂去除.     

不同数值解法对产水气井压降计算的影响

我国气田气井普遍产水,严重影响气井正常生产。而正确预测产水气井井底压力是对这类气井进行生产动态分析和采气工艺设计的基础。考虑到不同数值计算方法会对产水气井井底压力计算精度和计算时间造成影响,以工程常用的气液两相管流H-B模型为基础,通过实例井对比了采用变管段长度增量形式的迭代法、变压力增量形式的迭代法和龙格库塔法计算井底压力的迭代次数和计算误差,并分析各种数值方法所适用的条件。结果表明,龙格库塔法在较宽压力增量范围内具有最佳的精度,而运算次数与迭代法相当,推荐其为产水气井井筒压降计算数值方法。     

轴向流固定床反应器内渗流问题的数值计算

根据轴向流固定床反应器内混合气体的流动特性，建立可压缩流体的渗流基本方程组，并采用半人工瞬变法，对轴向流固定床反应器内通过多孔介质的流动问题进行数值计算．     

明流隧洞反弧段水力及空化特性研究

明流隧洞反弧段是最容易发生空蚀的部位。本文根据势流理论,运用解析函数的 Riemann—Hilbert 混合边值问题理论,导出了计算二维明流泄洪洞反弧段水力特性的边界积分方程,对反弧段的时均压强,时均流速及水深的分布进行了计算。结合对曲边边界层动量积方程的分析,探讨了反弧末端易于发生空蚀破坏的原因。     

不同相空间维数下的两相湍流PDF模型

该文使用统计物理学中概率流体理论来考察现有两相湍流PDF模型，发现各种PDF模型仅是概率流体相空间降维过程中的不同阶段的PDF输运方程。通过降维过程的演化，指出了推导两相湍流两阶矩模型时存在两种不同的封闭问题：降维封闭和高阶矩封闭，指出了降维封闭与流体颗粒运动方程无关，并描述了现有的封闭方法。     

两相湍流中颗粒矩拉格朗日方程可靠性的验证

基于两相湍流PDF理论,颗粒矩拉格朗日方程可以通过求解颗粒PDF输运方程获得,但不同的数学方法推导获得的颗粒PDF输运方程形式是不同的,哪一种颗粒PDF输运方程的形式更可靠呢?该文先介绍不同形式的颗粒PDF输运方程,然后给出了使用颗粒PDF输运方程获得的颗粒矩拉格朗日方程。另一方面,从颗粒朗之万方程出发,用简单平均的方法推导颗粒运动一阶矩与二阶矩拉格朗日方程组,将这两种不同方法得到的结果进行比较。结果表明,基于色噪声扩维法PDF理论得到的颗粒矩方程组更为可靠。