SPH方法的面向对象设计及其后处理

摘要

传统的光滑粒子流体动力学(SPH)软件是采用面向过程方法设计，分离了数据与操作，通过过程函数来访问复杂的数据结构，制约了程序的维护与扩展，并且SPH方法的数值模拟具有一定的复杂性。采用软件工程的面向对象开发方法，可提高软件的维护性、扩充性及开发效率。本文全面、系统地将面向对象方法引入到SPH软件系统开发的各个阶段，主要研究内容和成果如下：
　　 针对拉格朗日流体动力学SPH数值模拟计算部分进行分析。完成了SPH软件系统的面向对象分析，建立系统静态模型的类图：确定了问题域模块与主控模块两大基本类以及它们之间的相互联系，问题域模块基本类由文件操作类、粒子类、材料类、容器类、边界粒子类和数组存储类组成的，主控模块基本类由SPH基本方法类和粒子系统组成；确定了各个类的属性以及操作；确定了各个类间的层次关系。并且为SPH软件系统构建了一个面向对象的SPH模型。
　　 根据面向对象分析的结果，完成了SPH软件系统的面向对象设计，详细描述了SPH软件系统的各个动态模型，建立相应的时序图、协作图和活动图，用于问题域模块类的对象的初始化，对象的形成以及相互间的通信，细化分析了主控模块类中SPH的数值模拟计算，其中，SPH基本方法类包括SPH的核函数计算和粒子支持域的搜索，SPH系统方法类包括近似函数的计算、粒子系统方法中的SPH流体动力学分析、碰撞处理和时间积分。
　　 在以上的工作基础上，根据所推导的拉格朗日流体动力学SPH的表达式，编制了包括问题域模块类和主控模块类的SPH流体动力学数值模拟计算程序，并加入用于后处理的视图模块以及控制模块，生成SPH流体流动可视化模拟软件。根据溃坝算例验证了面向对象SPH软件的正确性，并通过在三维螺杆挤出器中的流体流动算例验证了该SPH软件具有良好的可扩展性和可维护性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 无网格SPH方法的发展回顾

1.3 面向对象方法在SPH软件开发中的必要性

1.3.1 面向过程SPH程序设计方法及其缺陷

1.3.2 面向对象SPH程序设计方法在国内外的研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 论文的组织结构

第2章 SPH、面向对象、UML及OpenGL的基本概念

2.1 光滑粒子流体动力学(SPH)概述

2.1.1 SPH的基本思想

2.1.2 SPH的基本方程

2.2 面向对象方法概述

2.3 统一建模语言(UML)概述

2.4 OpenGL概述

第3章 SPH数值模拟流体流动的分析

3.1 SPH的数值模拟

3.2 拉格朗日流体动力学

3.2.1 光滑核函数

3.2.2 质量密度

3.2.3 内力

3.2.4 外力

3.3 SPH数值模拟的其它相关处理

3.3.1 碰撞处理

3.3.2 时间积分

3.3.3 相邻粒子搜索法

第4章 SPH软件的面向对象分析

4.1 面向对象分析概述

4.2 OBJSPH类与对象的识别与确定

4.3 问题域模块类及其子类

4.3.1 问题域模块类的构成

4.3.2 粒子类的构成

4.3.3 计算粒子类的构成

4.3.4 材料类的构成

4.3.5 粒子材料类的构成

4.3.6 容器材料类的构成

4.3.7 特殊容器类

4.3.8 单元类

4.4 主控模块类及其子类

4.4.1 主控模块类(Run)的构造

4.4.2 近似函数基类(Approximation)的构造

4.4.3 权函数(Weight)的构造

4.4.4 SPH基本类(SPHBasis)的构造

4.4.5 粒子系统方法基类(ParticleSystem)的构造

4.4.6 流体动力学类(FluidHydrodynamics)的构造

4.4.7 SPH流体系统类(SPH_fluid_system)的构造

4.4.8 碰撞处理类的构成

4.5 SPH应用程序构架

4.5.1 SPH模拟系统的顶层包图

4.5.2 SPH系统的体系结构

4.5.3 核心层主要组件分析

4.5.4 视图层主要组件分析

4.6 本章小结

第5章 SPH软件的面向对象设计

5.1 面向对象设计概述

5.1.1 OOD原则

5.1.2 OBJSPH流体动力学分析

5.1.3 交互建模

5.2 OBJSPH的时序图分析

5.2.1 SPH问题域中对象的初始化

5.2.2 SPH的求解计算过程

5.3 OBJSPH的协作图分析

5.4 OBJSPH的活动图分析

5.4.1 OBJSPH中SPH核心算法的活动图

5.4.2 OBJSPH中主框架的活动图

5.5 本章小结

第6章 SPH软件的面向对象实现

6.1 C++实现原理

6.2 SPH软件的面向对象实现

6.2.1 问题域模块类的实现

6.2.2 主控模块类的实现

6.2.3 SPH流体系统方法类的实现

6.2.4 SPH流体动力学类的实现

6.2.5 主框架类的实现

6.2.6 显示类的实现及应用

6.3 SPH软件的扩充技术

第7章 可视化实验与结果分析

7.1 实验条件与初始数据

7.1.1 流体材料

7.1.2 水

7.1.3 螺杆挤出器

7.1.4 实验平台

7.2 可视化实验及结果分析

7.2.1 水流体流动分析

7.2.2 溃坝算例及分析

7.2.3 螺杆挤出算例及分析

7.3 SPH软件系统测试

7.3.1 性能测试

7.3.2 模拟健壮性和稳定性测试

第8章 全文总结

8.1 研究成果及结论

8.2 下一步的工作

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果