基于SPH的水与固体交互仿真建模方法
一种基于SPH流体模拟的固液边界改进算法
一种基于SPH流体模拟的固液边界改进算法
耿明;陈丛
【期刊名称】《计算机与现代化》
【年(卷),期】2014(0)3
【摘要】光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种无网格的流体模拟方法,固液边界处理是SPH法模拟流体行为的重点和难点.本文提出一种单层加密粒子法进行固液边界处理.与虚拟粒子法将边界假设为静止的流体粒子不同,本文将边界假设为具有一定密度的固体粒子,依靠物理约束进行流体计算.这种方法能够有效降低模拟中穿越边界的粒子数量,使得流体边界处的模拟更加符合真实情况.本文采用仿真流体数据对提出的算法进行验证,并对其有效性进行分析讨论.
【总页数】5页(P49-52,56)
【作者】耿明;陈丛
【作者单位】西北工业大学计算机学院,陕西西安710072;西北工业大学计算机学院,陕西西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】TP301.6
【相关文献】
1.改进的流体模拟固体边界处理算法 [J], 朱晓临;殷竞存;汪欢欢
2.一种新型SPH固壁边界处理的排斥力模型 [J], 周学君;陈丁;唐轶
3.基于GPU的面向SPH流体模拟的邻居查找算法 [J], 赵相坤;李凤霞;战守义
4.改进的流体模拟固体边界处理算法 [J], 朱晓临;殷竞存;汪欢欢;;;
5.SPH固壁边界处理方法的改进 [J], 龚凯;刘桦;王本龙
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基于SPH方法与ALE方法的复合材料层压板入水冲击对比研究
industry
中航工业直升机设计研究所 蔡金金（1985-）男，中国直升机设计研究所，汉族，籍贯江苏海门，本科，工程师， 研究方向：科研项目管理。
影响力
真实度 行业关联度
基于 SPH 方法与 ALE 方法的复合材料层 压板入水冲击对比研究
本文利用有限元软件 HYPERWORKS， 采用 SPH 和 ALE 两种分 析方法，针对复合材料层压板入水冲击进行数值模拟分析，得到了复合 材料层压板的结构响应。通过与试验结果对比，分析两种方法的优缺点， 从而对复合材料层压板结构入水分析提供相关参考。
流体域与结构域之间通过基于罚函数耦合的方式实现流
体与结构的耦合作用，当结构域网格与流体域网格发生穿透
时，流体域对结构产生力的作用。
复合材料层压板入水建模
为了解复合材料层压板的着水响应特性，建立两种方法
复合材料层压板结构着水冲击动力学模型，层压板网格密度
都为 10mm，水体网格密度和粒子密度都为 30mm，如图
法所需消耗的时间。从时间上看可以看出两种方法计算效率
式中， h 是定义光滑函数影响区域的光滑长度，核近似 算子用角括弧标记。
用粒子的体积 ∆Vj 来取代粒子 j 处的无穷小体元 dx′ ，则粒 子的质量可表示为：
m j = ∆Vj ρ j
（3）
将粒子质量表达式带入， f ( x) 的连续 SPH 积分表达式
最终得到以下离散化的粒子近似式：
= f ( xi ) ∫ f ( x′)W ( x − x′, h)dx′ Ω
引言
减轻结构重量对于现在飞行器具有特殊重要的意义，复 合材料具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成形 等许多优异特性，将其用于飞行器结构上可比常规金属结构 减重 25% ～ 30%。因此复合材料在直升机结构设计中已经 大范围使用，而对于需要海上使用的直升机还有水上迫降的 要求，故有必要对复合材料的着水响应特性进行研究。目前 数值仿真是水上迫降研究的重要手段，主要有任意拉格朗日 欧 拉 方 法（ALE） 和 光 滑 粒 子 流 体 动 力 学 方 法（SPH）。 Kohlgruber D 等 人 进 行 了 复 材 结 构 的 入 水 试 验， 并 采 用 Langrange 方法和 SPH 方法对复材结构进行了仿真分析， 同时分析了结构入水角度的影响。为准确分析典型直升机复 合材料层压板结构的着水响应特性，本文采用 ALE 和 SPH 两种方法对直升机典型复合材料层压板结构着水响应进行研 究，通过与试验结果对比，分析两种方法的优缺点，从而对 复合材料层压板结构入水分析提供相关参考，对直升机水上 迫降结构设计具有重要的工程指导意义。
基于SPH方法的流体动力学模拟技术研究
基于SPH方法的流体动力学模拟技术研究流体动力学模拟技术是一种非常重要的数值计算方法，能够模拟和预测流体的流动和运动状态。
尤其在工业、航空、航海等领域，流体动力学模拟技术被广泛应用。
其中，SPH方法作为流体动力学模拟技术中的一种重要方法，已经成为研究的热点之一。
本文将围绕基于SPH方法的流体动力学模拟技术开展探讨。
一、SPH方法简介SPH方法是一种基于粒子的流体动力学模拟技术。
SPH全称是Smoothed Particle Hydrodynamics，它最初是由英国的Lucy和Gingold于1977年开发提出的。
在SPH方法中，流体被简化成一系列离散的粒子，这些粒子相互之间通过一定的算法来计算它们之间的相互作用力。
SPH方法主要涉及到流体的质量、速度和压力等物理量。
通过对粒子的轨迹进行计算，可以得到流体的运动和变形状态，从而模拟流体的流动和变化过程。
SPH方法具有易于实现、不受网格限制等优点，因此，在流体动力学的研究中得到了广泛的应用。
不过，SPH方法也存在着一些问题，比如模拟的粒子数量对计算精度存在影响等。
二、基于SPH方法的流体动力学模拟技术研究应用2.1 流动现象模拟在基于SPH方法的流体动力学模拟技术中，研究人员常常使用它来模拟流动现象。
例如，研究气泡在水中的运动状态、水流对船只的影响等。
通过模拟流体的流动状态，可以预测物质的运动路径和变形状态，并为实际工程的设计提供依据。
2.2 流体力学问题求解基于SPH方法的流体动力学模拟技术研究还可以解决一些流体力学问题。
例如，在机械工程、电子工程中，常常存在一些导热不良或液冷不良等问题，基于SPH方法的流体动力学模拟技术可以用来解决这些问题。
2.3 环境模拟除了工业领域，基于SPH方法的流体动力学模拟技术在环境模拟中也有一定应用。
例如，在固体废物处理中，常常需要将污染物转移到空气或水等介质中，基于SPH方法的流体动力学模拟技术可以模拟不同介质中的物质转移状态，进一步研究污染物的传播与转移。
SPH方法
SPH方法SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法是一种基于粒子的流体动力学数值模拟方法，它可以有效地模拟流体的运动和相互作用。
SPH方法最初是由Gingold和Monaghan在1977年提出的，它在模拟自由表面流动、多相流动、冲击波等方面具有很好的适用性。
在工程领域和科学研究中，SPH方法已经得到了广泛的应用，并且在模拟复杂流体问题上取得了很多成功的实例。
SPH方法的核心思想是将流体连续介质看作由大量的质点（粒子）组成，每个粒子都带有一定的物理量（如质量、密度、速度等）。
通过对这些粒子进行相互作用的计算，可以得到整个流体系统的运动状态。
相比传统的有限元方法和有限体积方法，SPH方法更适用于处理自由表面流动和大变形流体问题，因为它不需要网格，可以自适应地适应流体的形变和运动。
在SPH方法中，流体的运动状态由每个粒子的物理量来描述，通过对每个粒子的运动方程进行离散化和数值求解，可以得到整个流体系统的运动状态。
在计算过程中，需要考虑粒子之间的相互作用力，包括压力力、粘性力、重力等。
这些相互作用力可以通过核函数来进行离散化，并且可以通过邻近粒子的加权平均来进行计算，从而得到每个粒子受到的合力。
SPH方法的一个重要特点是其自适应性，因为它不需要网格，所以可以很好地处理自由表面流动和大变形流体问题。
在模拟自由表面流动时，只需要在自由表面上生成一些表面粒子，并且通过一定的边界条件来控制这些表面粒子的运动状态，就可以很好地模拟出自由表面的运动。
而在模拟大变形流体问题时，由于SPH方法不需要进行网格重构，所以可以很好地处理流体的大变形和破碎等现象。
除了在流体动力学模拟中的应用外，SPH方法还可以很好地模拟其他物理现象，如固体动力学、气体动力学等。
在固体动力学中，SPH方法可以很好地模拟材料的变形和破碎现象，因为它不需要网格，可以很好地处理材料的大变形和破碎。
在气体动力学中，SPH方法可以很好地模拟气体的流动和相互作用，因为它可以很好地处理气体的自由表面和大变形现象。
基于SPH方法的三维液体晃动数值模拟_刘富
第42卷第1期2010年2月南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Jo urnal of Nanjing Univ ersity of Aeronautics &Astronautics V ol.42N o.1 Feb.2010基于SPH 方法的三维液体晃动数值模拟刘 富 童明波 陈建平(南京航空航天大学先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016)摘要:采用SP H 方法对棱形液舱在外加激励作用下,不同充液比工况所对应的舱内液体晃动进行了三维数值模拟,并将其与实验进行对比,两者吻合较好,同时成功地模拟出液体晃动产生的波浪翻卷和破碎,进而验证了SPH 方法在求解三维液体晃动问题的准确性。
分析结果表明:液舱的充液比及晃动周期对于液体的晃动特性及舱壁的压力有重要的影响,在大充液比情况下,迟滞特性所表现的双峰特征消失。
关键词:光滑粒子流体动力学;数值模拟;晃动;液舱中图分类号:O352 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2010)01-0122-05 收稿日期:2009-02-23;修订日期:2009-09-02 作者简介:刘富,男,博士研究生,1983年生;童明波(联系人),男,教授,博士生导师,E -mail :to ng w @nuaa .edu .c n。
Numerical Simulation of Three -Dimensional Liquid SloshingBased on SPH MethodLiu Fu ,Tong Mingbo ,Chen J ianping(Key Labo rato ry of Fundamental Science fo r N ational Defense -Adva nced Desig n T ech no lo gy of Flight V ehicle ,N anjingUniv ersity o f Aero nautics &Ast ro nautics,Na njing ,210016,China)Abstract :With the ex citatio n,liquid sloshing in the th ree-dim ensio nal prisma tic tank at different fill ra-tios of liquid conditio ns a re th ree-dimensionally simulated by the smoo thed par ticle hy drody namics (SPH)method.The calcula tio n results are in ag reement with the experim ental results.The w elter and the frag mentatio n o f the wav e a re sim ula ted .As a result ,the accuracy of SPH metho d in solving the problem of th ree-dimensional liquid slo shing is v alidated.Analy sis results sho w that the fill ratio of the liquid and the sloshing cycle has im po rtant influence on the cha racteristics o f the liquid sloshing a nd the w all pressure .At the la rg e fill ra tio o f the liquid ,two -peak feature rev ealed by the hysteresis character-istic disappears.Key words :smo othed pa rticle hydro dy namics;numerical sim ula tion;sloshing;liquid tank 贮箱内液体的晃动是指液体自由表面由于外加扰动或激励而产生的波运动。
基于SPH方法的滴水涟漪动画模拟
基于SPH方法的滴水涟漪动画模拟李玉梅;汪继文【摘要】光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种新近发展的可用于流体模拟的无网格数值方法.文中基于SPH方法的基本原理,利用SPH方法求解描述水流现象的二维浅水波方程,根据具体模型使用Monaghan人工粘性的变形形式,有效地防止了相互靠近粒子的穿透,消除了SPH 方法在模拟流体动力学问题时产生的数值振荡.通过使用可变光滑长度,使邻近粒子的数量保持相对稳定,提高了求解的计算效率和精度.同时,对光滑长度进行了修正以获取对称光滑长度,保持了粒子间相互作用对称性.全面考虑了各种定解条件的设置,对水滴的运动进行了模拟,SPH模拟结果与有限差分法、有限体积法结果非常吻合,验证了方法的准确性,为SPH方法的进一步发展和广泛运用奠定了基础.【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2010(020)005【总页数】4页(P56-58,62)【关键词】光滑粒子流体动力学方法;浅水波方程;光滑核函数;水波动画【作者】李玉梅;汪继文【作者单位】安徽大学,计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽,合肥,230039;安徽大学,计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽,合肥,230039【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言在对自然景物的模拟中,水流的动画模拟是一个有意义的课题。
在文中,通过求解二维浅水波方程,对水滴的下落这一现象进行了动画模拟,对浅水波方程进行了数值求解,所使用的数值方法是SPH方法。
对水流场景的模拟,基于物理模型的方法已得到了广泛的运用,文献[1]用有限差分法的隐格式求解二维的浅水波方程,通过设定初值和边界条件控制动画情节,文献[2]用基于物理模型的方法模拟了水流动画。
文献[3]在用有限体积法求解方程的基础上,计算中加入了粒子系统,与以往工作不同的是粒子被进一步分成水滴、水柱、水粒和水泡。
基于SPH方法的磨削机理仿真研究
基于SPH方法的磨削机理仿真研究徐士龙;林建中;杨玉廷【摘要】In order to investigate the mechanism of grinding, a SPH( smoothed particle hydrodynamics) method is used for single abrasive grain grinding simulation. The simulation of different grinding depth and negative rake angle of abrasive grain are analyzed according to the stress and deformation of workpiece material , and grinding chip formation mechanism. The results show that: the SPH method for grinding simulation can well explain the behavior of elastic and plastic deformation of workpiece material, and the mechanism of chip formation. There is a critical grinding depth that can just produce chips. The specific grinding energy on different grinding depth in the simulation can accord with the size effect of grinding. With the increase of negative rake angle of abrasive grain, the influence of extrusion is increasing and the influence of cutting is decreasing. The influence of extrusion is important for the quality of part surface.%采用光滑粒子流体动力学(SPH)法对单颗粒磨粒磨削过程进行了数值仿真.从工件材料的应力分布和变形情况以及切屑的形成情况对不同磨削深度和磨粒负前角下的仿真结果进行了分析.结果显示:基于SPH法的磨削仿真可以很好地解释磨削过程中工件材料的弹塑性变形行为和切屑的形成情况；在磨削过程中存在着一个刚好产生切屑的临界磨削深度；仿真中不同磨削深度下比磨削能的变化与磨削过程中的尺寸效应现象一致；随着磨粒负前角的增大,挤压作用增强而切削作用减弱,磨粒的挤压作用对工件表面质量具有重要影响.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】4页(P136-139)【关键词】比磨削能;单颗粒磨粒;光滑流体动力学法;负前角【作者】徐士龙;林建中;杨玉廷【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海200090;上海理工大学机械工程学院,上海200090;上海理工大学机械工程学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TG580.1随着各类高新技术产品对加工精度的要求越来越高，精密及超精密加工技术迅速发展。
基于SPH方法的海浪动态演变模拟仿真
基于ＳＰＨ方法的海浪动态演变 模拟仿真
张静 ，刘文龙２，卢文虎 （１＿天津市博盈科技发展有限公司 天津市３００１８０； ３．国家海洋信息中心 ２．中国地震局第一监测中心 天津市３００１８０； 天津市３００１７１）
摘要：结合风浪场复杂的动力学、时空特性，针对海浪仿真模拟中存在的真实感不足，难以模拟海浪破 碎等问题，根据流体的物理特性，采用光滑粒子流体动力学（ＳＰＨ）的方法，从粒子初始化分配、粒子受 力分析及状态计算以及粒子运动过程中的碰撞检测３个方面进行了研究，实现了海浪的动态演变仿真。 关键词：海浪模拟；粒子系统；光滑粒子流体动力学；碰撞检测
海浪仿真是近年来计算机图形学领域研究的 热点之一，它在虚拟现实应用、计算机游戏以及 电影制作中起着重要的作用。另外，海浪的仿真 模拟是构建海洋环境信息可视化平台的一个重要 组成部分，平台的建立可显著提高我国海洋信息 的可视化水平。 海浪具有复杂的动力学、时空特性，对其三 维模拟有着特殊的要求，这使得海浪建模及绘制 成为海浪仿真模拟中的难点。海浪建模的本质是 海浪的真实感绘制，它是海洋环境仿真的基础， 在很大程度上决定了仿真效果的好坏［１１。针对海 浪复杂的特性，本文采用一种能够处理自由表面 流动的基于粒子的拉格朗日法（ＳＰＨ方法），将粒 子系统与物理模型结合进行海浪的模拟。 １ ＳＰＨ基本原理 ＳＰＨ（Ｓｍｏｏｔｈｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，光滑 粒子流体动力学）方法是一种由一组粒子代替流 收稿日期：２０１６—１０—１７ 体获得流体动力学公式的近似数学解决方案的方 法［２］。它的基本思想是将连粒子质点上承载着各 种物理量，通过求解质点组的动力学方程和跟踪 每个粒子的运动轨迹，求得整个系统的力学行 为。对于每个单独的流体粒子，仍然遵循最基本 的牛顿第二定律，由于在ＳＰＨ算法中，流体的密 度决定了流体单元的质量，所以这里遵循牛顿第 二定律公式可以表示为公式１．１的形式。
基于SPH方法的三维液体晃动数值模拟
（ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｆ ｕ ｄｍｅ ｔｌ ｃｅｃ ｏ ｔ ｎ ｌ ｅｅ ｓ－ ｄ ａ ｃｄＤ ｓ ｎＴ ｃ ｎ ｌｇ ｆ ｌ ｈ ｅ ｉ ｅ Ｎａｊ ｇ Ｋｅ ａ ｏａｏｙｏ ｎ ａ ｎａ Ｓｉｎｅｆｒ Ｆ Ｎａｉ ａ Ｄ ｆｎｅＡ ｖｎ ｅ ｅｉ ｅｈ ｏｏ ｙｏ ｉ ｔ ｈｃ ， ｎｉ ｏ ｇ Ｆｇ Ｖ ｌ ｎ
第４ ２卷 第 １ 期 ２１ ０ ０年 ２月
南
京
航
空
航
天
大
学
学
报
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ １ １４ ．
Ｆｅ ｂ． ２０ １０
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ｎｉｇＵｎｖ ｒｉ ｆＡ ｒｎ ｕｉ Ｌ ｔｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｏ Ｎａ ｊ ｉｅｓ ｙｏ ｅｏ ａ ｔ ｓ８ ｒｎ ｕｉ ｎ ｔ ｃ Ａｓ ｃ
关 键 词 ： 滑 粒子 流 体 动 力 学 ； 值 模 拟 ； 动 ； 光 数 晃 液舱
中 图 分 类 号 ： ５ Ｏ３ ２
文 献标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ：０ ５２ １ （０ ０ ０ —１ ２０ １０ —６ ５ ２ １ ） １０ ２ —５
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