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粒子法SPH的应用场景介绍

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Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 是一种基于粒子的无网格方法,用于模拟连续介质(特别是流体和固体)的行为。自其在1970年代初由Lucy和Monaghan等研究者提出以来,SPH因其独特的优点,在多个科学与工程领域得到了广泛应用。以下将详细介绍SPH法的具体应用场景:


1. 天体物理学  

星体碰撞与合并:SPH特别适合处理天体碰撞过程中复杂的流体动力学问题,如行星形成、恒星碰撞以及黑洞吸积盘中的物质流动等。由于天体碰撞时物质的大规模变形和非结构化流动,传统网格方法往往难以有效处理,而SPH通过拉格朗日描述方式可以很好地模拟这些过程。
超新星爆炸:在模拟超新星爆发过程中,SPH能够捕捉到气体外壳膨胀、破碎和混合的过程,从而帮助科学家理解重元素的合成及星际物质的传播。


2. 流体力学  

自由液面模拟:SPH非常适合于模拟具有复杂自由表面流动现象,例如波浪生成、破碎、扩散以及船只行进时产生的水花效应。在船舶设计、海洋工程中,这种能力尤为重要。
多相流:SPH适用于模拟不同密度流体之间的相互作用,比如油水两相流、气液界面动态变化等,这在石油工业、环境工程中有重要应用价值。
冲击波和激波:尽管SPH在模拟高马赫数流体时面临挑战,但经过改进后,它也可以用于分析爆炸、高速撞击和枪炮发射等产生的冲击波传播情况。    


3. 结构力学与固体力学  

材料断裂与塑性变形:SPH可应用于模拟固体材料在极端载荷下的破坏行为,如金属切割、岩石破裂、地震导致的土壤液化等场景。
生物力学:在生物组织模拟中,SPH可以用来描述软组织的变形和损伤,如血管壁受血流压力影响的变化、骨骼肌肉系统的动态响应等。


4. 爆炸与冲击动力学    

爆炸力学:SPH能较好地模拟爆炸瞬间能量释放、高压气体产物的快速扩张以及随后对周围物体的冲击效果,这对于评估建筑物或军事装备抗爆性能至关重要。
汽车安全仿真:在汽车碰撞测试中,SPH常被用于模拟乘员保护系统(如安全气囊)展开过程以及乘客与车内组件的交互作用,提供更为准确的伤害预测结果。


5. 计算机图形学与动画制作  

影视特效:在电影和游戏行业,SPH被用于创建真实感十足的流体特效,如瀑布、河流、熔岩流、爆炸烟雾等视觉效果。
虚拟现实与增强现实:为VR/AR应用提供逼真的物理模拟,如虚拟环境中液体的互动体验,用户可以直接操控或影响虚拟流体的形态和运动。    


6. 土木工程与地质力学  

土石流模拟:在山体滑坡和洪水灾害预警中,SPH有助于预测泥土、碎石混合物的流动路径和潜在危险区域。
隧道开挖与地下工程:模拟挖掘过程中地下水的影响,包括地下水渗流、泥浆护壁技术等。

随着计算能力的不断提升和算法优化的持续进行,SPH的应用范围将进一步拓宽,并有望在更多涉及复杂流固耦合、大变形和自由表面问题的领域发挥重要作用。同时,结合高性能并行计算技术,SPH的研究和应用前景更加广阔。
              

来源:CFD饭圈
断裂碰撞多相流船舶汽车建筑海洋爆炸材料游戏
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首次发布时间:2024-09-08
最近编辑:1月前
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使用压力边界来模拟管道中的流动. 一、创建新项目 1.在工具栏中,单击CreateProject.2.在Create Project 窗口,在Project name输入文件名pressure_boundary 并指定项目将保存的位置Project location.3.单击OK按钮,以关闭窗口.4.在Projects 窗口,展开project 然后双击scene 要打开该场景的节点. 二、添加对象 几何文件 1.在Outline窗口,单击Importpolygonfiles 2.在文件对话框中,选择要导入的几何图形文件(ypipe.stl, plug.stl).3.单击FitView按钮.4.在Outline窗口,选择Input>ypipe.stl.5.在Properties窗口,设置Appearance>Alpha为0.2使内部流动可见.6.在Outline窗口,选择Input>plug.stl.7.在Properties窗口,找到Transform中的部分,并输入以下值:•Rotation:(0,90,0)Pressure boundary 1.在Outline窗口,单击Createmisc.按钮,然后单击Pressure boundary按钮.以同样的方式,创建另一个压力边界.2.在Outline窗口,选择Input>pressure_boundary.3.在Properties窗口,找到Transform中的部分,并输入以下值:•Location:(-120,0,0)•Rotation:(0,90,0)•Type:Circle•Width[mm]:38•Height[mm]:384.在Outline窗口,选择Input>pressure_boundary_1.5.在Properties窗口,找到Transform中的部分,并输入以下值:•Location:(-108.33,51, 0)•Rotation:(30,90, 0)•Type:Circle•Width[mm]:18•Height[mm]:18模拟域 1.在Outline窗口,选择Input>domain.2.在Properties窗口,找到Domain中的部分,并输入以下值:•UpperLimit:(150,100, 50)•LowerLimit:(-150,-50,-50) 三、创建动画 1.在Outline窗口,选择Input>plug.stl.2.在KeyFrames窗口,设置Key:Location.1.3.设置Type为Position.4.在Player窗口,移动到60帧(6[s]).5.单击+以添加一个位置6[s].6.在Player窗口,移动到70帧(7[s]).7.单击+以添加一个位置7[s].8.输入50毫米作为值.9.预览motion,单击Playforward按钮在Player窗口. 四、创建物理属性 1.在Outline窗口,单击Managephysicalproperties.2.在Physicalpropertymanager窗口中,单击加号按钮+以添加一个新的物理属性.3.选择类型Fluid从弹出菜单.4.再次单击加号按钮+以进行添加Fluid_1,并编辑以下参数:•Density [kg/m3]:2000•Kinematicviscosity[m2/s]:1e-45.添加另一种类型Polygon.使用默认参数.6.单击OK按钮关闭Physicalpropertymanager.7.在Outline窗口,选择每个节点。在Properties窗口,定位PhysicalProperty并在类型中分配类型,如下所述.•ypipe.stl:Polygon•plug.stl:Polygon•pressure_boundary:Fluid•pressure_boundary_1:Fluid_1 五、设置压力边界参数 1.在Outline窗口中,选择这两个节点:Input>pressure_boundary和Input>pres- sure_boundary_1.2.在Properties窗口,找到Details中的部分,并输入以下参数:•BoundaryPressure[Pa]:10 六、设置模拟参数 1.在工具栏中,单击Settings.2.在Basics部分的中输入以下参数,然后单击Next:•Unit>Length:mm•Preprocess>ParticleSize[mm]:4•Gravity[m/s2]:(0,0,0)3.在MPS部分的中输入以下参数,然后单击Next:•Pressure>Mode:Div.Free •Viscosity>Type: Explicit4.在Simulation部分的中输入以下参数并单击Close.•Time>FinishTime[s]:10•Time>Initialdt[s]:0.001•Output>FileOutputIntervalTime[s]:0.1 七、运行模拟 1.单击 Execution 部分在 Run 会话框.2.在Run 对话框,找到Execution 部分和选择Preprocess & Simulation 在Runmode3.单击Execute按下以下按钮,以开始计算.八、可视化结果 在颜色贴图中显示压力,并播放结果动画。1.在ColorMap窗口,定位Field,并选择Pressure.2.输入0作为Min以及10作为Max在Range.3.在Outline 窗口中,选择这两个节点:Result >pressure_boundary (particle) 和Result>pressure_boundary_1(particle).4.在Properties窗口,勾选Appearance>UseColorMap.5.在Player窗口,单击Playforward按下这个按钮来播放动画。6.下图分别是6/7/8秒时刻的压力分布云图 来源:CFD饭圈

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