基于SPH方法對自由表面流的數(shù)值模擬及可視化研究.pdf

1、具有自由液面的流體流動問題在海洋工程、石油化工、水利工程和機(jī)械工程等工程中大量存在。例如在海洋工程中波浪的傳播、變形、破碎及波浪與建筑物的相互作用問題：在風(fēng)吹過湖面，湖中污染物擴(kuò)散問題：還有在水利工程中壩頂溢流、閘下出流等問題。一些發(fā)達(dá)國家的著名水利研究機(jī)構(gòu)已由過去的以物理模型試驗為主要研究手段，逐漸轉(zhuǎn)化為以數(shù)值模擬與物理模型并重或以數(shù)值模擬為主要研究手段，如荷蘭的Delft水力學(xué)實驗室、加拿大的AdvancedScientific C

2、omputing Ltd．等均在數(shù)值模擬及其成果可視化方面取得了較好的成果。自由表面流由于其存在運(yùn)動邊界，邊界位置只在初始時刻確定，此后邊界位置需作為計算結(jié)果的一部分進(jìn)行求解，因此自由表面流動的數(shù)值模擬一直是計算流體力學(xué)領(lǐng)域的一大難題。本文采用一種新的方法．無網(wǎng)格SPH方法，處理具有自由液面的流體流動問題，并應(yīng)用到水利工程中的潰壩模擬及溢流壩壩頂溢流模擬。 SPH方法作為無網(wǎng)格方法的一種，相對于基于網(wǎng)格方法中網(wǎng)格劃分實施困難的問

3、題以及在求解過程中會發(fā)生網(wǎng)格突變、網(wǎng)格移動等現(xiàn)象的問題，使用無網(wǎng)格方法求解具有比較明顯的優(yōu)勢。SPH方法的基本思想是將連續(xù)系統(tǒng)用一系列粒子來描述，這些粒子攜帶獨(dú)立的物理信息并遵循物理控制方程運(yùn)動。通過對其思想的理解對N．S方程進(jìn)行數(shù)值逼近，建立二維水動力方程，壓力采用引入人工壓縮率按狀態(tài)方程進(jìn)行計算，邊界處理采用對自由表面情況不施加任何條件，對固壁邊界情況通過提出新的邊界處理方法一顯示反射方法，通過布置多層固壁粒子滿足邊界處的粒子密度，