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基于sph方法的液舱内液体晃动分析及防晃研究

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基于SPH方法的液舱内液体晃动分析及防晃研究

作者：张凯凯哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着对载液系统性能要求不断提高,液舱的载液能力不断增大,如飞机、液货船的运输能力不断提高,这就要求设计容积大的液舱。在这种高载液工况下,液舱受到外界激励后其内液体会发生剧烈晃动,因此液舱受到强烈的冲击载荷进而对液舱和整个... 详细信息

随着对载液系统性能要求不断提高,液舱的载液能力不断增大,如飞机、液货船的运输能力不断提高,这就要求设计容积大的液舱。在这种高载液工况下,液舱受到外界激励后其内液体会发生剧烈晃动,因此液舱受到强烈的冲击载荷进而对液舱和整个系统造成影响。同时晃动液体的重心发生变化会改变整个系统的重心位置,影响整个系统的稳定性。因此研究液体在外界激励下的晃动规律,预测晃动液体对液舱与系统的影响以及设计防晃结构是十分必要的。sph(光滑粒子流体动力学)方法是广泛应用在解决流体动力学问题的数值方法。本文在分析sph方法的基础上,将其应用在解决液体晃动时出现的线性-非线性现象、液舱受到的冲击载荷、液体重心和液面变化问题中。根据影响液体晃动参数,设计单自由度矩形液舱晃动试验平台,分析各参数对液体晃动影响。探究晃动最剧烈工况以及该工况下出现的翻卷破碎等非线性规律,液舱受到的冲击压强以及自由液面变化规律。同时本文采用数值方法分析各参数对液体晃动的影响,得出与试验方法一致的结论。数值方法模拟出的液体晃动时出现的翻卷、破碎等非线性现象,液舱受到的冲击压强以及液面变化规律与试验结果接近。数值方法还得到试验方法无法获得的结果如晃动液体重心变化,整个液舱与液舱壁受到的冲击载荷与激励的关系。综合两种方法可以发现低充液深度下液体重心变化对系统的重心影响严重,高充液深度下液舱受到的冲击载荷对系统结构影响严重。针对机翼油箱内燃油晃动对油箱结构和飞行稳定性的影响,本文采用sph方法分析弹性机翼油箱内燃油在两种实际工况下的晃动,得出燃油的重心变化以及自由液面变化与外部激励的关系。机翼油箱受到的最大载荷以及结构应力最大发生在载荷变化最剧烈时间段内,应力集中位于蒙皮与前后梁连接处。根据防晃机理以及晃动液体对液舱的影响,本文以矩形液舱为例设计了横向和纵向两种阻尼结构,并对其优化。发现增加阻尼结构后晃动液体的重心变化降低,液舱受到的冲击载荷改变。优化阻尼结构后液体重心变化和液舱受到的冲击载荷继续降低并趋于稳定,因此该防晃结构提高整个系统结构安全性和系统同稳定性。

关键词：液体晃动阻尼挡板 sph方法晃动试验飞机机翼油箱

基于sph方法的液滴撞击固壁过程的数值模拟研究

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基于SPH方法的液滴撞击固壁过程的数值模拟研究

作者：李玲玲天津大学

学位级别：硕士

自由表面流动问题在自然界中广泛存在,例如水利工程中的溃坝、自由表面溢流、明渠水流等,它无处不在影响着人类的生存和发展,因此自由表面流动的研究也具有十分重要的现实意义。液滴与固体壁面的碰撞是典型的自由表面流动问题。液滴与... 详细信息

自由表面流动问题在自然界中广泛存在,例如水利工程中的溃坝、自由表面溢流、明渠水流等,它无处不在影响着人类的生存和发展,因此自由表面流动的研究也具有十分重要的现实意义。液滴与固体壁面的碰撞是典型的自由表面流动问题。液滴与壁面碰撞后的扩散、回弹甚至破碎现象广泛地存在于化工制造、冶金技术等工业过程中,因此,研究液滴撞击固壁现象能更好地了解具有自由表面流动问题。本文采用拉格朗日形式的无网格粒子法—光滑粒子流体动力学方法（sph）对液滴撞击固壁问题进行数值模拟研究。研究了适用于广义流体动力学的sph的基本方程及与其相关的数值技术,由拉格朗日形式下的流体基本方程推导出sph形式下的流体基本方程。通过采用人工压缩率,把所有理论不可压缩流体模化为实际上是弱可压缩的;通过采用人工粘性来消除计算结果产生的非物理振荡。采用sph方法建立了二维液滴撞击固壁基本模型,对液滴撞击固壁后的动力学行为进行数值模拟,将数值模拟结果与物理实验结果进行对比分析;对撞击固壁后液滴内部流场、压强场、特征粒子的运动速度及位移情况进行分析研究;通过改变相关参数,如液滴的初始撞击速度、液滴的初始半径等,研究以上相关因素对液滴撞击固壁后铺展因素的影响;在此基础上,通过建立三维模型,来研究三维情况下液滴撞击固壁后的运动过程。建立液滴撞击固壁后运动状态的理论模型,研究分析液滴铺展因素与接触角间的关系及液滴的撞击速度与接触角间的关系,从而得到液滴的铺展因素与液滴的撞击速度之间的关系,并把理论推导结果与数值模拟结果进行对比分析。

关键词： sph方法自由表面液滴固壁数值模拟

变质量体积sph方法在Poiseuille流模拟中的应用

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人民黄河 2015年第6期37卷 86-90页

作者：王翔宇陈昌平郑艳娜史宪莹大连海洋大学海洋与土木工程学院辽宁大连116023

基于sph方法(光滑粒子流体动力学)的基本原理,提出一种变质量体积的sph方法。通过对变质量体积区域粒子采用双重标记的方法,模拟了Poiseuille流的运动过程,并将模拟结果与Poiseuille流的级数解和传统sph方法数值模拟结果进行了比较,结... 详细信息

基于sph方法(光滑粒子流体动力学)的基本原理,提出一种变质量体积的sph方法。通过对变质量体积区域粒子采用双重标记的方法,模拟了Poiseuille流的运动过程,并将模拟结果与Poiseuille流的级数解和传统sph方法数值模拟结果进行了比较,结果表明采用变质量体积sph方法得到的模拟结果更接近于级数解。该方法为模拟水流与小尺度构件的相互作用等复杂流固耦合问题提供了一种有效的研究思路。

关键词： sph方法变质量体积 Poiseuille流数值模拟

邻域粒子搜索算法研究及其在sph方法流体模拟中的应用

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邻域粒子搜索算法研究及其在SPH方法流体模拟中的应用

作者：衷湾南昌大学

学位级别：硕士

邻域粒子搜索被广泛应用于sph方法、离散单元法等无网格方法的求解计算中。邻域粒子搜索是一种粒子配对方法,从问题域粒子中查找当前粒子的邻域粒子,为当前粒子运动提供计算条件。本文研究不同的邻域粒子搜索算法,从缩小搜索范围和提高... 详细信息

邻域粒子搜索被广泛应用于sph方法、离散单元法等无网格方法的求解计算中。邻域粒子搜索是一种粒子配对方法,从问题域粒子中查找当前粒子的邻域粒子,为当前粒子运动提供计算条件。本文研究不同的邻域粒子搜索算法,从缩小搜索范围和提高数据利用率的角度,设计了一种基于局部相关的快速搜索算法,并在基于sph方法的流体模拟应用中验证该算法。本文主要工作如下：首先,研究现有的邻域粒子搜索算法,总结搜索配对原理,设计一种更简单高效的粒子搜索配对算法。研究算法主要完成了下面三点工作。（1）研究邻域粒子配对算法,包括：全局粒子搜索配对算法,链表搜索配对算法,树形搜索配对算法和其它搜索配对算法如Bucket等算法。分析这些算法搜索的具体搜索过程以及计算复杂度。（2）总结现有搜索算法,从缩小搜索范围和提高数据利用率方面,设计一种基于局部邻域相关的快速搜索方法。算法的基本思想是：充分利用之前搜索已获得的数据,确定当前粒子需要搜索的邻域范围,从已获得的邻域区域中查找邻域粒子。在算法设计时,针对表面粒子查找失效的问题,采用比较邻域粒子数密度和位置信息的方法提取表面粒子,并单独处理表面粒子搜索。针对算法搜索区域重叠的问题,采用布尔变量标记已搜索粒子的方法,避免重复搜索重叠的区域。该算法既不需要划分网格也不需要重新建立复杂数据结构,不但缩小了搜索范围,而且提高数据的利用率。（3）对粒子信息和算法函数接口封装设计,方便使用不同搜索算法对比验证本文算法。其次,应用C++程序设计语言和OpenGL图形库,设计并实现基于sph方法的可视化流体模拟平台。使用全局配对搜索、链表配对搜索以及本文设计搜索算法,对表面粒子分布不同的场景：流体溃坝、流体自由滴落和流体密闭空间单螺杆挤出进行实验分析。通过对比和拟合实验结果,验证本文搜索算法的有更好的性能。

关键词：邻域粒子搜索算法表面粒子 sph方法流体模拟可视化

基于sph方法的虚拟水流墙系统中水流的模拟研究

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基于SPH方法的虚拟水流墙系统中水流的模拟研究

作者：韩吉烨东北林业大学

学位级别：硕士

随着计算机软硬件的综合发展,虚拟现实技术逐渐在各领域得到广泛的应用,关于虚拟现实技术的视觉效果和真实性的研究也逐渐成为重点研究方向。而关于自然景观的模拟更是吸引了很多专家学者的广泛关注。自然景观看起来简单易懂,但是却没... 详细信息

随着计算机软硬件的综合发展,虚拟现实技术逐渐在各领域得到广泛的应用,关于虚拟现实技术的视觉效果和真实性的研究也逐渐成为重点研究方向。而关于自然景观的模拟更是吸引了很多专家学者的广泛关注。自然景观看起来简单易懂,但是却没有人能够对水流、烟雾、爆炸等自然景观进行准确的描述。因为这些景观都是随着时间发生不确定性的变化的。而想使用计算机技术将这些景物进行模拟更是十分困难。水流就是属于现实世界中的一种常见景物,它属于流体景物,自然形态复杂多变,对其进行模拟的计算量和难度都很大,在实时模拟系统中很难实现数字化模拟。虚拟水流墙系统是一款对现实中的水流进行模拟的虚拟现实系统。他以寓教于乐为目的,以游戏的方式将现实中的水流展现在用户面前。用户可以根据自己的想象,在系统中对水流进行各种操作。现有水流墙系统的性能和水流视觉效果都不够理想,而且现有系统多数都是直接绑定在硬件上的,这样的系统可移植性、系统维护性都很难令人满意。为了解决上述这些问题,重新开发了一套虚拟水流墙系统。针对系统可执行、系统维护性等问题,采用U nity3D进行系统开发。Unity3D是一款成熟的游戏开发引擎,使用它进行系统开发,不仅使开发过程变得简单,还能够直接发布到Windows、 Android、IOS、Linux、Mac、Web等多个平台,为项目的可移植性提供了保障。针对水流真实性和系统的性能的问题,主要对水流系统的模拟方法进行了深入的研究,包括基于波的模拟方法、基于物理模型的模拟方法和基于粒子系统的模拟方法,分析各自优缺点,并选择了粒子系统作为本文实验的主要内容。粒子系统是目前为止用于模拟不规则形状物体最成功的图形生成算法,使用这种方法能够模拟出视觉效果真实的水流。而sph方法是一种无网格的粒子法,使用这种方法不仅能够保持粒子系统所模拟的水流的视觉效果,而且能够弥补粒子系统在系统性能方面的不足。最后以开发的水流墙系统作为实验平台,分别采用粒子系统和粒子系统的sph方法对水流进行模拟。并对粒子系统和sph方法模拟的水流进行了系统运行时的帧率、系统占用内存方面的对比分析。得出了相关结论。

关键词：虚拟水流墙模拟水流粒子系统 sph方法

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二维矩形水槽晃荡过程的sph方法模拟

二维矩形水槽晃荡过程的SPH方法模拟

作者：崔岩上海交通大学

学位级别：硕士

液体晃荡问题具有十分重要的工程应用前景,其具有一般自由表面流动特点,还与限制其运动范围的容器发生强烈的交互作用,涉及非线性自由表面大变形运动。光滑质点水动力学（sph）方法是近年来新兴的无网格的、纯拉格朗日粒子方法,在天体物... 详细信息

液体晃荡问题具有十分重要的工程应用前景,其具有一般自由表面流动特点,还与限制其运动范围的容器发生强烈的交互作用,涉及非线性自由表面大变形运动。光滑质点水动力学（sph）方法是近年来新兴的无网格的、纯拉格朗日粒子方法,在天体物理,水动力学以及其他相关学科中已经得到应用。与网格数值方法相比,这类方法的优点在于能方便地模拟自由表面的大变形与破碎。本文探讨sph方法在研究容器运动所激发的内部流体的强迫晃荡问题方面的应用,为晃荡问题的研究提供一种新的思路。针对二维矩形强迫晃荡问题,推导了动坐标系下N-S方程的sph形式,给出了使用sph方法进行水动力学模拟所需的基本条件以及相关的处理方法,对速度重新初始化、人工粘性、边界处理等方面进行了探讨。运用sph方法对二维矩形水槽的纵荡和纵摇问题进行了数值模拟,并将模拟结果与前人的结果进行了对比。结果表明,sph对二维矩形水槽的晃荡过程的模拟非常成功,当纵荡频率接近容器一阶固有频率时出现了对容器上边界的砰击和自由水面的破碎现象,并分析了砰击作用对计算的影响;同时给出了晃荡过程中的速度分布和压力分布;纵摇的模拟结果表明当侧边界处的水位出现峰值时,水体中部出现短暂的旋涡现象。同时考虑纵荡和纵摇激励时模拟表明当相位相同时波面的运动幅度最小,而相位差为180度时波面的运动幅度最大,其综合效果是非线性的。

关键词： sph方法晃荡综合作用

基于sph方法的滑坡涌浪及其对重力坝冲击作用研究

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基于SPH方法的滑坡涌浪及其对重力坝冲击作用研究

作者：孙迅大连理工大学

学位级别：硕士

库区边坡在极端情况下有可能发生失稳,造成大量土石体涌入河道,特别是在狭窄的河谷,会形成巨大的涌浪。涌浪对航道及挡水建筑物造成冲击,可能会导致河道内船只倾覆、挡水建筑物损坏,并威胁下游库区人民的人身和财产安全。现如今,我国的... 详细信息

库区边坡在极端情况下有可能发生失稳,造成大量土石体涌入河道,特别是在狭窄的河谷,会形成巨大的涌浪。涌浪对航道及挡水建筑物造成冲击,可能会导致河道内船只倾覆、挡水建筑物损坏,并威胁下游库区人民的人身和财产安全。现如今,我国的水利工程主要集中在西南部,这些地区工程地质条件多为高边坡、软基土等,滑坡涌浪问题日益突显出来。所以研究滑坡涌浪过程和影响它的因素,以及它对挡水建筑物的作用尤其有意义。本文针对滑坡涌浪的产生及传播过程,在滑坡涌浪数值模拟中对粒子间距、滑块初始下落速度、水深和滑块宽度这四个因素对涌浪要素、涌浪过程和右侧边界冲击压力的影响,以及高低水位下涌浪对挡水重力坝的冲击作用展开研究。本文主要做了以下三个方面的工作：(1)基于sph方法建立刚性滑块入水模型,对滑坡体入水激起涌浪以及涌浪的传播过程进行了细致的模拟,给出涌浪过程中不同时刻滑块位置与流体分布、滑块位移-时间曲线以及滑块附近流体的速度场。通过波幅值和自由面波形比较,验证了sph方法在模拟涌浪方面的可行性以及模型的可靠性。(2)采取变量控制的方法,通过设置不同的变量参数,针对滑坡涌浪模拟中粒子间距、水深、滑块初始下落速度、滑块宽度这些因素进行单一分别考虑,分析它们各自对涌浪要素、涌浪过程和右侧边界的冲击压力影响。(3)选取有代表性的Koyna重力坝作为研究对象,建立sph与有限元耦合模型,与ANSYS模型进行静力对比,验证耦合模型可靠性。在此基础上,研究高低水位下滑坡涌浪对挡水重力坝特征点的位移、拉应力和坝面压强的作用。研究表明,不仅涌浪对大坝造成冲击影响,库水压缩波在其中的作用也不可忽略。

关键词： sph方法滑坡涌浪重力坝冲击作用压缩波

基于GPU的非线性自由面流动并行sph方法研究

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基于GPU的非线性自由面流动并行SPH方法研究

作者：黄兴哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

研究带有强非线性自由表面现象的水动力学问题有着重要的意义。光滑粒子水动力学方法以其无网格特性使得研究该问题具有良好的适应性。而计算效率问题始终是将弱可压缩sph方法用于工程实践的瓶颈。本文探讨一种借助于GPU并行计算平台的... 详细信息

研究带有强非线性自由表面现象的水动力学问题有着重要的意义。光滑粒子水动力学方法以其无网格特性使得研究该问题具有良好的适应性。而计算效率问题始终是将弱可压缩sph方法用于工程实践的瓶颈。本文探讨一种借助于GPU并行计算平台的弱可压缩sph方法并行求解思路,为提高sph方法计算效率提供一种新的方法。本文以sph方法为理论基础,对其函数构造方法、水动力学近似方法以及一些修正改进方法进行阐述。GPU并行架构以及CUDA软件平台作为本文并行架构的硬件基础,本文论述了 GPU执行模式、存储模式等内容。本文结合弱可压缩sph方法的计算特点以及GPU的执行方式,提出一种完全基于GPU计算的sph并行方法。并通过比较Poisueille流动数值模拟结果初步论证该方法的可靠性。针对二维溃坝问题,本文从粒子收敛性、时间步长收敛性、核函数收敛性方面分别对WCsph方法和δ-sph方法的GPU数值模拟结果进行验证。给出求解过程中的时间消耗,对GPU并行效率的详细分析结果表明两种方法都得到良好的加速效果。此外,文章还比较分析WCsph方法和δ-sph方法两种方法溃坝结果的异同点。对于二维液舱晃荡问题,本文运用两种sph方法分别对纯横荡问题进行数值模拟,给出不同激励频率,不同激励幅值的计算结果。对比分析了两种方法在GPU平台上的时间消耗以及加速性能,其结果同样表明全GPU并行计算结果的可靠性与高效性。

关键词： sph方法 GPU并行计算 CUDA 溃坝液舱晃荡

基于sph方法的平面网衣与水流相互作用数值模拟研究

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基于SPH方法的平面网衣与水流相互作用数值模拟研究

作者：王翔宇大连海洋大学

学位级别：硕士

近年来,由于人口增加,对水产品需求增大,使得近海水产资源日趋枯竭。再加上过度捕捞以及不合理的开发等因素影响,近海海洋生态环境逐渐恶化,养殖区环境污染和病害问题日趋突出,导致养殖鱼类品质下降,死亡率不断提高。为此,将网箱养殖业... 详细信息

近年来,由于人口增加,对水产品需求增大,使得近海水产资源日趋枯竭。再加上过度捕捞以及不合理的开发等因素影响,近海海洋生态环境逐渐恶化,养殖区环境污染和病害问题日趋突出,导致养殖鱼类品质下降,死亡率不断提高。为此,将网箱养殖业从内湾、近海转向外海或深海,寻求优越的养殖环境和高质量的养殖产品已成为网箱养殖发展的必然趋势。深水养殖网箱由此应运而生,作为深水养殖网箱的重要组成部分,网衣是整个网箱系统中最为关键的部件之一,不仅可以为养殖鱼类提供生长空间,还可以防止鱼类逃逸和敌害侵袭。网衣柔软的特点使得网衣在外荷载作用下极易发生运动变形,在流速较大时会加大网箱的容积损失,从而影响到养殖鱼类的正常生长。因此,研究网衣在水流作用下的运动变形和整体受力,对于深入了解网箱的耐流特征以及为网箱设置区域的选择、材料的选择作为参考具有重要的现实意义。在深水网箱养殖过程中,箱内水体的流动与鱼类生长密切相关,箱内水体的流速大小决定了网箱内部水体的交换速度,对箱内水质环境影响显著,因此网衣的减流作用研究备受关注。本文应用sph方法和集中质量方法的基本原理,采用Fortran语言自编程序,利用数值模拟的方法对网衣与不同流速水流相互作用的水动力特征进行系统研究,以期得到计算机模拟结果与试验值比较。结果表明:在三维水槽中水流与网衣相互作用的数值模拟中,其中网衣周围流场测点流速值与试验值误差在10%左右,网衣整体受力数值模拟值与实验值误差不到3%。网衣的变形形态虽然没有试验结果对照,但是同样编写入本文中。研究论文共有五部分组成:第一部分为绪论,主要介绍论文研究背景、国内外关于水流作用下网衣水动力特征研究进展。第二部分对sph方法的基本思想、基本理论进行介绍。第三部分对两平行板内二维均匀流(Poiseuille流)进行数值模拟,通过与级数解比较,得出采用sph方法对二维均匀流进行数值模拟的可行性、精确性等特点。第四部分对水槽中三维均匀流采用两种sph数值模拟方法,结果比较得知施加空间体力的sph方法更加符合实际水槽造流过程。第五部分为基于sph方法的平面网衣与水流相互作用的数值模拟,研究并展示了平面网衣周围流场形态、网衣受力大小以及网衣各时刻变形形态,并将模拟得到的各部分结果与试验值比较,分析了误差的原因。附录部分对上述研究内容编写的程序进行公开,一些关键技术的解决是通过编写相关程序完成,此程序公开的目的是为后面的研究人员继续研究相关课题作参考。文章最后对本文取得的主要研究成果进行了总结,同时对今后平面网衣、圆形网衣、网箱等的水动力特征研究进行了展望。

关键词：平面网衣 sph方法水动力特征数值模拟