SPH方法在自由表面流動(dòng)方面的研究及其應(yīng)用.pdf

1、水動(dòng)力學(xué)中的自由表面流動(dòng)現(xiàn)象廣泛地存在于現(xiàn)實(shí)生活和工程應(yīng)用中，是一個(gè)非線性很強(qiáng)的復(fù)雜問題。自由表面在運(yùn)動(dòng)過程中可能產(chǎn)生飛濺、鋪展、破碎、附著等現(xiàn)象，并處于不斷的變化之中。因此，研究如何高效、準(zhǔn)確地模擬這一物理過程具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics，SPH)方法是一種純拉格朗日形式的無網(wǎng)格粒子方法,近年來SPH方法發(fā)展迅速，已經(jīng)成功地應(yīng)用到了生物納米工程，環(huán)境工

2、程和國(guó)防科技等不同領(lǐng)域。SPH方法可以很容易的處理大變形、可變形邊界、追蹤自由表面、運(yùn)動(dòng)交界面。和傳統(tǒng)的網(wǎng)格方法相比，在復(fù)雜網(wǎng)格的產(chǎn)生、網(wǎng)格的自適應(yīng)性和多尺度問題的求解等方面，都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
　　本文詳細(xì)論述了SPH方法的基本方程和基本原理，以及SPH方法在Navier-Stokes方程上的實(shí)施。在數(shù)值方法方面，對(duì)密度重新初始化，亞質(zhì)點(diǎn)尺度湍流模型，人工粘性、人工壓縮率，邊界處理、可變光滑長(zhǎng)度、最近相鄰粒子搜索法等問題進(jìn)行了論

3、述，在SPH程序中添加了表面張力的計(jì)算程序。
　　另一方面，本文應(yīng)用SPH方法對(duì)水動(dòng)力學(xué)中自由表面流動(dòng)的潰壩流動(dòng)問題和液滴濺落問題進(jìn)行了數(shù)值模擬和機(jī)理研究，并對(duì)不同數(shù)值方案進(jìn)行了比較研究。分別模擬了未添加障礙物的潰壩流動(dòng)問題和添加障礙物的潰壩流動(dòng)問題，以及液滴濺落光滑固體壁面問題和液滴濺落液面問題，分析了數(shù)值模擬結(jié)果的差異和修正項(xiàng)對(duì)數(shù)值模擬的影響因素。在潰壩流動(dòng)數(shù)值模擬中，通過對(duì)潰壩流動(dòng)問題進(jìn)行不同方案的SPH數(shù)值模擬，本文所采用

4、的各模擬方案都較完整的得到了水流與壁面相互作用而產(chǎn)生的水花飛濺、融合、水流反彈、自由表面變化以及近壁面處水流壓力場(chǎng)的劇烈變形等多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，對(duì)SPH數(shù)值模擬潰壩流動(dòng)問題所得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察、移動(dòng)粒子半隱式（Moving Particle Semi-implicit，MPS）方法得到的結(jié)果、以及應(yīng)用商業(yè)CFD軟件VOF(Volume of Fluid)模型的計(jì)算結(jié)果等進(jìn)行了比較和分析。對(duì)SPH數(shù)值模擬液滴濺落問題所得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)