光滑粒子流体动力学

摘要： 作为一种典型的拉格朗日型无网格数值方法,光滑粒子流体动力学(SPH)方法在模拟自由表面流问题时具有天然优势。但是,该方法计算量大、耗时长,为此提出了一种基于粒子分解的SPH并行算法。该算法将所有粒子平均分配到各个进程进行计算,每个时间步通信仅调用一次发送、接收和广播函数,因此易于实现且可扩展性较好。应用该并行算法对二维溃坝流和三维液滴冲击液膜问题进行数值模拟,结果表明:该并行算法能显著减少模拟所消耗的计算时间,有利于进行三维大规模计算问题的数值模拟;当粒子数大于百万时,最大加速比可达30以上。

摘要： 基于光滑粒子流体动力学方法,构建齿轮泵壳体及内部流体的粒子模型,对内啮合齿轮泵在不同工况下的流量特性进行数值模拟。首先设置了均匀分布的油泵出入口压强,计算得到的流量结果与试验结果吻合,且在中低转速下流量与转速呈线性关系;针对高转速下油泵流量降低的问题,通过适当减小周期模型内部的流体粒子数反映流量降低,获得了与试验值相吻合的连续转速流量的模拟结果;针对影响齿轮泵性能的间隙和空化现象,结合模型特点给出了相应的近似处理方法。通过以上研究,将SPH方法成功地应用于滑油泵问题的分析计算。

摘要： 通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。

摘要： 结合光滑粒子流体动力学(SPH)方法和膜材非线性本构,提出了一种分析膜面在积水荷载作用下响应的数值模型.通过不同应力比的双轴拉伸试验得到膜材的应力-应变响应面,建立膜材的非线性本构模型,并使用SPH粒子模拟水,建立膜面与水的流固耦合数值模型.通过网格收敛性分析确定了文中采用的网格尺寸,分析了加载时长对计算结果的影响.同时分析了膜面的应力和应变的分布规律.结果表明,加载过程随加载时长的增加越来越稳定,且100 s能满足分析需求.将数值模拟结果与平膜积水试验结果进行比较,膜面的最大竖向变形吻合较好,验证了所提方法的可靠性.

摘要： 目前,无网格光滑粒子流体动力学SPH粒子法在波浪与结构物相互作用研究方面得到广泛应用,但该方法模拟波浪远距离传播时,常常面临严重的能量耗散问题,导致波高非物理性降低,给大范围海域、长时间作用下的波-物耦合作用研究带来一定困难.对此,本文采用一种核函数修正算法,在确保粒子间相互作用对称性的同时,改进压力梯度离散项的计算精度,设法解决SPH方法中能量非物理性耗散的难题.相较于前人减缓能量非物理性衰减的方法,本文的修正SPH算法避免了自由液面搜索等复杂处理过程,并能保证动量守恒特性.数值结果中,采用振荡液滴、规则波、不规则波等算例,验证本修正SPH算法的准确性和有效性.结果表明,该修正SPH算法能准确模拟振荡液滴形态变化,且动能保持较好守恒性.通过数值水池与物理水池两者规则波与不规则波结果的对比分析表明,基于本文修正SPH算法建立的数值波浪水池具有较好的抗能量衰减效果,能实现长时间、远距离波浪传播的准确模拟.此外,本算法能在低光滑长度系数条件下,实现精确模拟,将极大缩减三维SPH模拟的时间,从而节约计算成本.

摘要： 船海工程领域中的高速水动力问题及其涉及的复杂流-固耦合过程普遍具有大变形、动边界、强对流、多介质等特征,一直是研究的热点和难点。而传统的网格算法在捕捉边界或界面大变形时存在一定局限性,亟待开发新一代无网格数值模拟技术。其中,光滑粒子流体动力学(SPH)作为拉格朗日无网格粒子方法,在捕捉多相界面和流-固耦合界面时具有较高的精度和强鲁棒性。近年来,随着SPH理论及方法的不断完善,SPH在理论完备性及计算稳定性方面取得了许多新的进步和突破,在模拟高速水动力方面的优势不断凸显,开始广泛应用于船海工程问题。为此,围绕水面航行器的高速水动力、航行体的跨介质水动力、水下爆炸与结构毁伤等问题,针对SPH理论及方法在上述领域取得的研究进展进行综述,讨论现有方法面临的问题与挑战,并展望未来需要开展的研究工作,旨在为后续相关研究提供参考。

摘要： [目的]针对黄河在冬季易结冰而造成冰凌灾害问题,对黄河破冰船的冰阻力进行数值预报。[方法]首先,基于光滑粒子流体动力学(SPH)计算方法建立船-冰-水耦合数值模型,该模型包括SPH方法中冰的本构方程、屈服准则以及耦合模型的实现过程;然后,采用该数值方法对不同工况下破冰船的冰阻力进行预报分析。[结果]结果显示,在平整冰情况下,冰阻力的预报精度与经验公式间的误差小于17.6%;破冰船的冰阻力随弯曲强度和冰厚的增加而增大,其中冰层厚度是影响冰阻力最主要的因素。[结论]所提的船-冰-水耦合SPH方法能够对实际黄河河道中破冰船的冰阻力进行有效预报,可为黄河破冰船的实际操作提供参考。

摘要： 邻近边坡的桥桩结构对滑坡失稳冲击荷载的承受力决定着它能否安全运行,因此对地震荷载下边坡失稳冲击桥桩结构的研究为桥梁工程设计和建设所迫切需要.利用光滑粒子流体动力学方法跟踪粒子特性时间变化和模拟大变形的特性,提出了地震作用边坡滑坡冲击桥桩结构的光滑粒子流体动力学算法,进行了地震加速度幅值、频谱、持时等参数对地震滑坡规律及滑坡冲击桥桩结构影响的研究,并研究了不同线程数对并行计算效率的影响.结果表明,地震加速度幅值增大会加快土体滑动速度和增大冲击体积量,对土体滑动冲击体积量的增大存在地震加速度临界值,大于该临界值时,冲击量增大幅度变大;在一定频率范围内,土体滑动速度和冲击体积量随地震反应谱峰值频率增大而增大,滑动土体对桥桩结构的冲击随之提前;地震持时增长,滑坡体的中部和后缘部分位移明显增大,冲击体积量增大;采用优化算法能够充分利用线程,大幅提高计算效率.

摘要： 触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。

摘要： 环模制粒是饲料工业、生物质能源等领域广泛采用的工艺,其核心是单个模孔内物料的非连续挤压成形过程。针对饲料粉体、秸秆颗粒等松散物料环模制粒过程的非连续多次压制特征,提出了一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的环模制粒成形数值模拟方法,并针对单个模孔内物料的多次压制过程进行了仿真分析,研究了成型过程中物料的流动情况、密度变化情况以及多次挤压对压制力和颗粒密度的影响,并将仿真结果与已有研究中的结论相对比。结果表明,该成型过程经过4次压制后进入稳定状态;在进入稳定挤压状态前,模孔入口处物料的密度更大。该方法可应用于饲料粉体、秸秆颗粒等松散物料的模压成型数值模拟中。

摘要： 土体的大变形流滑导致了许多地质灾害的发生,对人们的生命财产安全构成了极大的威胁,因此越来越多的研究开始关注土体的大变形流滑特性.其中,光滑粒子流体动力学(SPH)方法是常用的模拟方法之一,但SPH方法的粒子特性导致其计算时间过长,影响了在工程地质领域的进一步应用.对此,本研究基于SPH方法的基本原理、非牛顿流体理论和等效黏度概念,提出了适用于土体大变形流滑分析的三维SPH仿真模型.结合OpenMP并行计算原理,实现了SPH算法的并行优化.在此基础上,对土体流滑模型试验进行了二维和三维分析,得到了滑动距离、滑动冲击力和冲击力峰值等动力学参数,分析了计算维数和边界条件对流滑特性的影响机制.通过不同线程数下计算时间的对比,获得了计算效率随线程数的变化规律.结果证明了本文的OpenMP并行优化具有较高的计算效率,显著降低了三维SPH模拟的计算耗时,对工程地质数值方法的效率提升具有重要的借鉴意义.

摘要： 月球形成的大碰撞理论自1974年提出以后,由于它能较好的解释地月系统间的一系列观测事实和数据,逐渐成为月球起源的各种理论中最被广为接受的一种.大碰撞事件直接决定了月球的物质组成、初始状态以及早期演化,研究迄今,大碰撞的数值模拟已经成为月球起源与早期演化中不可或缺的一个环节.目前大碰撞理论的最主要模拟方法为SPH(光滑粒子流体动力学)方法。但这一程序仍在状态方程上存在问题，原因在于大碰撞模拟目前公认最好的状态方程(M-ANEOS)无法获取。状态方程对模拟结果最大的影响表现在对大碰撞理论组份制约的影响，而对物理制约的影响相对较小。因此目前的程序仍然可以初步开展铁核形成的模拟，但更高精度的程序进展有待于更先进和精确的状态方程问题的解决。

摘要： 光滑粒子流体动力学(SPH)方法是目前常用的一种纯Lagrangian无网格的计算方法.该方法在处理一些计算区域有较大变形或具有复杂边界的流动问题方面有较大的灵活性等优点,在具有自由表面的流动问题的研究方面得到了日益广泛的应用.近年来,在研究波浪与结构物相互作用方面也取得了迅猛发展,有较好的发展前景.本文应用SPH方法的基本原理,包括函数的积分表示法、粒子近似法和光滑函数的性质,建立连续性方程、动量方程、能量方程、状态方程,针对类似溃坝问题的波浪对结构物相互作用问题进行了数值分析.用SPH方法对不同情况下的溃坝问题进行模拟,分析溃坝下游结构物的不同布局对流场形态的影响,并得到结构物和固壁所受到的压力;同时运用该方法模拟了三维波浪与结构物的相互作用,展示了波浪的形态以及与结构物所受到的冲击压力,探讨了波浪在不同保护堤的情况下对结构物的冲击效果以及影响规律,以便于在实际工程中选出最优方案.

摘要： 为了精确、高效地模拟离心式泥泵内部流动,提出一种无网格模拟方法-光滑粒子流体动力学方法(SPH).其中,流体域被离散为拉格朗日粒子,叶片和泵体被离散为固体粒子,流体和固体力学的控制方程则转化为相应的粒子间作用力.计算由初始状态启动后,粒子在这些力的作用下运动并不断演化,粒子携带的信息通过插值核函数可以求得流场和固体的运动参数.通过模拟标准算例,验证了控制方程组和边界条件的正确性.使用该方法模拟二维离心式泥泵内部的运动,初步分析表明模拟结果是合理的,为采用SPH算法实现三维模拟离心式泥泵内部流动和过渡过程打下理论基础,将极有利于揭示离心式泥泵过流系统过渡过程内部瞬变流动机理,对保障泥泵系统可靠和稳定运行具有重要的理论意义.

摘要： 根据海冰的力学性质,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立海冰本构模型,模拟冰锥实验并与实验结果对比,对冰材料模型准确性进行验证.利用显式动力分析软件LS-DYNA模拟破冰船连续式破冰,得到了海冰的损伤变形和破冰阻力,同时研究了船舶航速和海冰厚度等参数对冰载荷的影响.分析研究表明:应用SPH方法建立的海冰模型能够真实的反映海冰的力学性能,对连续式破冰过程实现较为准确的模拟,为船冰碰撞的数值模拟提供了新思路.

摘要： 光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种无网格法,在模拟大变形、动边界以及多相流方面具有很大潜力.本文主要基于SPH方法采用水下刚性楔形块体在倾斜平面上的滑动来模拟二维滑坡涌浪过程，并对刚性楔形块体沿斜面下滑引起的自由表面变化和波浪爬高进行了分析，为验证SPH方法对于研究二维滑坡涌浪这一复杂的流-固耦合问题的适用性提供了有效的数值依据。

摘要： 本文以混动双离合变速箱实际出现的某档位吸空油问题为例,采用SPH无网格粒子法,运用nanoFluidX软件模拟变速箱中齿轮的运动规律,仿真分析气液两相流,分析结果不仅复现了实际现象,而且清晰的解读了润滑油及空气的走向,提供了行之有效的优化方案,直观而快速的解决了实验难以解决的实际工程问题,具有很强的工程意义.

摘要： 本文以混动双离合变速箱实际出现的某档位吸空油问题为例,采用SPH无网格粒子法,运用nanoFluidX软件模拟变速箱中齿轮的运动规律,仿真分析气液两相流,分析结果不仅复现了实际现象,而且清晰的解读了润滑油及空气的走向,提供了行之有效的优化方案,直观而快速的解决了实验难以解决的实际工程问题,具有很强的工程意义.

摘要： 本文以混动双离合变速箱实际出现的某档位吸空油问题为例,采用SPH无网格粒子法,运用nanoFluidX软件模拟变速箱中齿轮的运动规律,仿真分析气液两相流,分析结果不仅复现了实际现象,而且清晰的解读了润滑油及空气的走向,提供了行之有效的优化方案,直观而快速的解决了实验难以解决的实际工程问题,具有很强的工程意义.

摘要： 本文以混动双离合变速箱实际出现的某档位吸空油问题为例,采用SPH无网格粒子法,运用nanoFluidX软件模拟变速箱中齿轮的运动规律,仿真分析气液两相流,分析结果不仅复现了实际现象,而且清晰的解读了润滑油及空气的走向,提供了行之有效的优化方案,直观而快速的解决了实验难以解决的实际工程问题,具有很强的工程意义.

摘要： 一种用于燃料供给系统的流体动力学装置，所述流体动力学装置(50)包括沿着轴线(A)延伸的进口管道(51)、沿着轴线(A)延伸的出口管道(52)、进入管道(53)以及连接管道(54)，进口管道(51)、出口管道(52)和进入管道(53)会聚到所述连接管道中；连接管道(54)限定了进口管道(51)与出口管道(52)之间的收缩部，从而在使用期间，进入管道(53)中形成的燃料压力低于进口管道(51)和出口管道(52)中的燃料压力。

摘要： 一种用于改善具有焊缝的海洋船舶的流体动力学轮廓和污染特性的方法，该焊缝形成在船舶水线以下的表面上突起的焊帽。该方法包括通过将整流件应用到水下表面来修正焊缝，例如通过使用填充物。一种具有整流件的船舶以及一种用于船舶并且包括整流件的覆层系统。

摘要： 本申请涉及一种用于车辆(200)的传动系统(100)，传动系统包括流体动力学缓速器(2)、第一传动系统部件，诸如变速器输入部(3a)，以及控制器(7)，控制器构造成在时间点(t1)处激活流体动力学缓速器(2)，该时间点基于第一传动系统部件的旋转加速度(10)确定。本公开还涉及控制流体动力学缓速器(2)的方法。

摘要： 本发明涉及锂电池加工领域，公开了一种利用电流体动力学与流体动力学技术修复电池分条或模切极片毛刺的设备,包括容器，容器设有出液口，所述容器内部填充有流体，极片与容器之间存在相对运动，极片在经过出液口时吸附出液口上的流体，与现有技术相比，本发明的有益效果是：活塞板是采用压电元件制成，通电之后可以实现高频震动，流体在活塞板的挤压下在出液口形成泰勒锥，极片在接近或者经过出液口时，极片上的毛刺在电场的作用下吸附出液口上形成泰勒锥的流体，流体滴到极片上将毛刺包裹或者分解，使后续的包装不会被毛刺刺破，提高成品率。

摘要： 一种用于燃料供给系统的流体动力学装置，所述流体动力学装置(50)包括沿着轴线(A)延伸的进口管道(51)、沿着轴线(A)延伸的出口管道(52)、进入管道(53)以及连接管道(54)，进口管道(51)、出口管道(52)和进入管道(53)会聚到所述连接管道中；连接管道(54)限定了进口管道(51)与出口管道(52)之间的收缩部，从而在使用期间，进入管道(53)中形成的燃料压力低于进口管道(51)和出口管道(52)中的燃料压力。

摘要： 本发明公开了一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：水体物理模型的构建与渲染，具体包括：连续流体离散化及其约束关系的建立；流体粒子运动循环的建立与流体粒子的渲染；步骤二：进水流体仿真，具体包括：太阳能热水器保热墙三维模型的简化与渲染；水流的连续生成及水流与容器的碰撞处理；步骤三：太阳能热水器的加热仿真实现，具体包括：建立集热管对水流的加热模型与流体粒子热运动模型；通过参数化控制实现不同条件下水流加热效果。本发明能够通过自定义参数控制实现不同条件下太阳能热水器的加热仿真，方便用户实施可交互操作，对相关厂商为消费者演示及宣传其相关产品具有重要意义。

摘要： 一种用于光滑粒子流体动力学模拟出血及处理加速的方法，利用基于GPU加速的模拟方法来模拟虚拟手术中的出血及利用虹吸原理吸出渗血的效果；同时，利用网格法实时划分问题区域，创建以支持域为边长的空间网格，通过临近网格搜索最近相邻粒子，并且通过并行计算架构(CUDA)多线程并行加速技术完成粒子控制方程的求解以及血液与固体交互的计算，大大提高了运算效率，从而提高了手术训练的实时性。此外；改进的移动立方体算法(marching cube)被用于流体表面的渲染，大大提高了手术训练的真实性。

摘要： 本发明提供一种基于光滑粒子流体动力学的地表产汇流计算方法，包括如下步骤：初始化计算条件，用底部粒子来描述地表信息，用流体粒子来描述地表产汇流；根据流体粒子在当前时刻的速度和位置，计算加速度；根据流体粒子的加速度和位置，计算该粒子在下一时刻的速度和位置；计算该粒子移动到新位置后的密度和光滑长度；根据降雨和下渗的水量计算流体粒子的质量，对流体粒子进行动量修正；对于无粒子覆盖的上游区域添加初始状态的流体粒子；对每一时步进行计算，输出地表产汇流的计算结果。本发明提供的方法无须建立网格，建模过程更加高效；支持降雨和下渗计算，可以更完整地模拟地表产汇流过程。

摘要： 本发明涉及一种基于光滑粒子流体动力学的污染物输运预测方法，通过以下若干步骤实现：步骤一，系统初始化：初始化参数信息；步骤二，生成粒子：包括生成流体粒子、入流粒子和出流粒子；步骤三，列出控制方程的离散格式和边界条件施加方式并迭代计算：用SPH方法离散描述污染物输运的控制方程，并基于初始参数条件从0时刻开始迭代计算；步骤四，输出结果：包括最终时刻所有类型的粒子的位置、速度和浓度。本发明可以准确预测污染物初始间断分布情况下浓度发生的变化，不会产生非物理振荡现象。

摘要： 本发明涉及一种适用于光滑粒子流体动力学的边坡安全系数确定方法，属于边坡稳定性分析技术领域。本发明基于边坡坡高和坡角的几何参数，建立边坡数值计算模型；通过力学试验确定边坡岩土材料力学参数，构建强度衰减应变软化模型；采用链表搜索法对边坡数值计算模型进行领域粒子搜索配对；根据强度衰减应变软化模型，求解粒子应力应变；根据粒子应力应变状态，进行应力调整；根据调整后所得粒子应力计算粒子加速度，更新粒子场变量；其中粒子场变量包括速度、密度和位移；选取位移特征点，依据三重判据判断边坡稳定性，若满足判据则输出安全系数，进行边坡整体稳定性状态评价；否则进入自动折减程序，继续迭代求解边坡稳定性直至满足判据要求。