本书主要研究内容

本书依托山东大学虚拟工程研究中心和新加坡国立大学ACES实验室,在对SPH原理及计算实施方法进行认真分析的基础上,以SPH数值方法为手段,深入研究并实现了SPH方法在两相耦合流动中的应用、SPH方法在三维仿真中的应用以及SPH方法在管道气力输送系统中的应用等。使用Fortran语言编写了SPH源程序。通过数值仿真算例,验证两相耦合流动SPH方法和三维SPH方法的可行性。对管道输送过程进行二维和三维数值仿真,并和实验结果进行对比分析,验证气力输送SPH方法的可行性,为SPH方法进行工程应用做准备。

本书的主要研究内容有:

① 分析了数值仿真中的两种基本方法网格法和无网格法的区别以及两种方法在处理流体动力学问题上的优势和不足,进一步研究无网格法中的光滑粒子流体动力学方法的原理和基本方程,提出实现该方法的系统框架,分析实现该方法采用的关键技术,给出解决思路,并通过数值算例进行验证。

② 两相耦合流动在自然界和工程领域中广泛存在,但是两相耦合流动的理论分析比单相流困难得多,描述两相耦合流动的通用微分方程组至今尚未建立。大量理论工作采用的是一些简化模型,这些模型的应用都还存在不少困难。目前的光滑粒子流体动力学方法也主要是研究在单相流中的应用,只有个别研究者对多物质星云等涉及多相流的天体问题进行了简单的探讨,并且过程烦琐,实现起来非常困难。考虑到SPH方法的实质是压力驱动下的离散点之间的相互运动,为了拓展SPH方法的应用领域,应该进一步研究光滑粒子动力学在两相耦合流动中的应用问题。

③ 实际工程中的流体流动问题大部分都是三维问题,但是三维SPH方法非常复杂,为了便于研究,都是将问题简化,简单地对流体流动进行二维模拟,并不能全面地反映流体在三维空间的真实流动情况。因此,本书研究将问题扩展到三维空间,实现SPH方法的三维数值仿真应用,并在SPH的三维仿真中,针对直接进行最近粒子搜索耗时严重的问题,引入搜索效率较高的树形搜索和Bucket搜索算法,提高SPH算法的运算速度。

④ 管道气力输送在工业中应用广泛,但其流动复杂,目前的研究设计仍停留在经验和试验的阶段。本书将SPH方法首次运用到管道气力输送仿真中,实现了一个原型设计,模拟了物料粒子的输送过程。通过实验和其他计算方法数据对比,证明了SPH方法在管道气力输送中的可行性,扩展了SPH方法的应用领域。

⑤ 目前的SPH方法都是使用Fortran语言编写的,虽然计算效率很高,但是人机的交互性较弱,要想计算不同参数条件下的流体问题,只能通过编程人员进入程序内部修改参数,因此本书考虑到VC++良好的人机交互界面,研究了VC++和Fortran混合编程调用SPH程序的问题,使SPH方法的使用在保持原有特性的基础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数的基础上,对Navier⁃Stokes方程进行空间离散化,推导出适用于广义流体动力学的SPH方程。为了更好地仿真流体动力学问题,需要对SPH的计算实施方法进行一些修改。冲击管和腔内剪切流数值算例不仅用于测试SPH公式和SPH程序在模拟具有不同特性的流体动力学问题中的可行性和效率,而且为后面的SPH两相耦合仿真、SPH三维仿真和SPH管道气力输送问题的仿真提供基础准备。