本書主要研究內容

本書依托山東大學虛擬工程研究中心和新加坡國立大學ACES實驗室,在對SPH原理及計算實施方法進行認真分析的基礎上,以SPH數值方法為手段,深入研究并實現了SPH方法在兩相耦合流動中的應用、SPH方法在三維仿真中的應用以及SPH方法在管道氣力輸送系統中的應用等。使用Fortran語言編寫了SPH源程序。通過數值仿真算例,驗證兩相耦合流動SPH方法和三維SPH方法的可行性。對管道輸送過程進行二維和三維數值仿真,并和實驗結果進行對比分析,驗證氣力輸送SPH方法的可行性,為SPH方法進行工程應用做準備。

本書的主要研究內容有:

① 分析了數值仿真中的兩種基本方法網格法和無網格法的區別以及兩種方法在處理流體動力學問題上的優勢和不足,進一步研究無網格法中的光滑粒子流體動力學方法的原理和基本方程,提出實現該方法的系統框架,分析實現該方法采用的關鍵技術,給出解決思路,并通過數值算例進行驗證。

② 兩相耦合流動在自然界和工程領域中廣泛存在,但是兩相耦合流動的理論分析比單相流困難得多,描述兩相耦合流動的通用微分方程組至今尚未建立。大量理論工作采用的是一些簡化模型,這些模型的應用都還存在不少困難。目前的光滑粒子流體動力學方法也主要是研究在單相流中的應用,只有個別研究者對多物質星云等涉及多相流的天體問題進行了簡單的探討,并且過程煩瑣,實現起來非常困難。考慮到SPH方法的實質是壓力驅動下的離散點之間的相互運動,為了拓展SPH方法的應用領域,應該進一步研究光滑粒子動力學在兩相耦合流動中的應用問題。

③ 實際工程中的流體流動問題大部分都是三維問題,但是三維SPH方法非常復雜,為了便于研究,都是將問題簡化,簡單地對流體流動進行二維模擬,并不能全面地反映流體在三維空間的真實流動情況。因此,本書研究將問題擴展到三維空間,實現SPH方法的三維數值仿真應用,并在SPH的三維仿真中,針對直接進行最近粒子搜索耗時嚴重的問題,引入搜索效率較高的樹形搜索和Bucket搜索算法,提高SPH算法的運算速度。

④ 管道氣力輸送在工業中應用廣泛,但其流動復雜,目前的研究設計仍停留在經驗和試驗的階段。本書將SPH方法首次運用到管道氣力輸送仿真中,實現了一個原型設計,模擬了物料粒子的輸送過程。通過實驗和其他計算方法數據對比,證明了SPH方法在管道氣力輸送中的可行性,擴展了SPH方法的應用領域。

⑤ 目前的SPH方法都是使用Fortran語言編寫的,雖然計算效率很高,但是人機的交互性較弱,要想計算不同參數條件下的流體問題,只能通過編程人員進入程序內部修改參數,因此本書考慮到VC++良好的人機交互界面,研究了VC++和Fortran混合編程調用SPH程序的問題,使SPH方法的使用在保持原有特性的基礎上更加便捷和人性化。

　　本章在分析SPH方法基本原理和光滑函數的基礎上,對Navier?Stokes方程進行空間離散化,推導出適用于廣義流體動力學的SPH方程。為了更好地仿真流體動力學問題,需要對SPH的計算實施方法進行一些修改。沖擊管和腔內剪切流數值算例不僅用于測試SPH公式和SPH程序在模擬具有不同特性的流體動力學問題中的可行性和效率,而且為后面的SPH兩相耦合仿真、SPH三維仿真和SPH管道氣力輸送問題的仿真提供基礎準備。