光滑粒子流体动力学（SPH）最新研究进展
点击上方蓝字了解更多计算与STEM领域研究前沿
文一：
使用平滑粒子流体力学和本构信息粒子动力学对流体-结构相互作用进行建模
摘要：
在本文中，我们提出了一种基于流体平滑粒子流体力学模型和最近开发的固体本构式知情粒子动力学模型的新型流固相互作用框架。我们开发了一种新的方法来耦合这些方法，以扩展流体-结构模拟框架，将固体中的裂纹扩展失效包括在内。模拟了几个基准问题，分别验证了流体和固体模型以及耦合模型。然后，我们应用这种耦合方法来模拟受流体冲击的缺口杆的脆性破坏。我们研究了障碍物高度和缺口位置等各种参数对其断裂的影响。
图：SPH 平滑核函数的一个示意图。
图：实体的参考和当前配置的表示。物体被离散化为粒子。
图：流体和固体模型的耦合。
图：溃坝后不同时间流体中压力轮廓的快照。
图：弹性板在不同时间步的快照。
文二：
基于区域分解策略的多尺度平滑粒子流体力学
摘要：
本文提出了一种用于弱可压缩平滑粒子流体力学的多分辨率算法。所选择的方法基于域分解，将计算域细分为具有不同分辨率的区域。每个子问题都由适当的狄利克雷边界条件封闭，这些条件通过缓冲区强制执行，缓冲区由粒子填充，粒子的物理量是通过在相邻子域上插值获得的。
该算法已在DualSPHhysics开源代码中实现，并通过一系列不同的研究案例进行了测试和验证。数值方案模拟多尺度流体流动的能力已经通过求解雷诺数为9500、最大和最小粒径之比等于28的圆柱体上的流动得到了证明
此外，所提出的SPH多分辨率算法也可用于运动物体周围的流动，如横流中的振荡圆柱体，以及自由表面流动，如模拟三角形楔形物撞击静止液体的自由表面。
图：移动到流体域中的缓冲粒子被转化为流体粒子（过程1）。
图：粒子插入程序：在每个时间步，计算子域外边界的法向质量通量，并将其添加到质量累积点（红色方块）。
图：圆柱绕流的无量纲压力: (a) Re = 100和(b) Re = 200。
图：Re=1000时流过圆柱体的涡度轮廓。
文三：
多孔介质中液体流动和固体变形耦合的一般平滑粒子流体力学（SPH）公式
摘要：
光滑粒子流体力学（SPH）方法最近被开发出来研究多孔材料中的耦合流动变形问题，与传统的基于网格的方法相比取得了相当大的成功，特别是在处理大变形和破坏后。然而，水力机械边界处理以及数值方案的准 确性和稳定性仍然存在计算挑战。结果表明，使用传统的SPH算子求解耦合问题可能会导致几个问题，包括数值不稳定、不准确、非物理粒子聚集以及边界附近的粒子无序。为了解决这些问题，本文提出了一种提高饱和/非饱和多孔材料精度的通用SPH方案。提出了一种改进的SPH渗流分析公式，可以准确预测多孔材料中的液体流动。开发了一种新的稳定技术，该技术结合了密度扩散项、改进的粒子移位算法和新的粘性阻尼项的使用，以进一步提高所提出方法的准确性、稳定性和鲁棒性。详细讨论了SPH中应力边界条件和水力边界条件的实现，如围压、水头、渗透/蒸发和潜在渗流面，使用壁边界粒子或自由表面域粒子。通过一系列基准实例验证了现有耦合框架的有效性。最终，将提出的模型应用于模拟堤坝因快速水位下降而发生的破坏过程。结果表明，本文提出的方法可以成为分析涉及大变形的多孔材料中耦合水力机械过程的有前景的工具。
图：(a)完全饱和(b)毛细管饱和(c)部分饱和的流动-变形耦合问题的典型例子。
图：多孔材料的多相连续模型。
图：使用（a）标准SPH进行降雨入渗模拟的垂直渗流量等值线图；（b） 核梯度校正。
图：通过颗粒移动进行改进：预测偏塑性应变和垂直渗流量（a）无颗粒移动和（b）有颗粒移动。
图：数值模拟与实验的表面位移比较：（a）破坏前，（b）破坏后。
文四：
通过光滑粒子流体力学对3D混凝土打印中的挤压过程和层变形进行建模
摘要：
我们开发了一个计算框架来模拟3D混凝土打印（3DCP）中挤压和层变形的复杂过程。提出了一种新的二维（2D）虚拟打印方案，该方案能够直接预测横截面形状，将模拟从传统2D模型中固有的矩形喷嘴的约束中解放出来。所提出的方案准确地捕捉到了以前被传统二维模型忽略的显著横向变形。值得注意的是，通过引入结构化速率，首次考虑了时变屈服应力对层变形的影响。此外，为了利用避免网格生成和额外界面跟踪的优势，在提出的框架中配备了一种结合正则化Bingham模型的弱可压缩平滑粒子流体动力学（SPH）方法。模拟的横截面形状与实验结果具有很好的一致性，并且在各种喷嘴高度、打印速度和挤出速度下都优于现有的数值结果。我们对流变参数的探索表明，最终层变形受屈服应力的影响，而其变形率受塑性粘度的影响。所提出的虚拟打印框架成为提高打印过程可预测性和效率的有前景的工具。
图：（a） 实验室3DCP过程中的真实挤压过程；（b） 之前的2D模型只允许在打印方向上变形，只适用于矩形喷嘴；（c） 改进后的模型适用于任意喷嘴形状和横向变形。
图：（a） 使用核函数支持域中的粒子进行近似；（b） 虚拟粒子在边界上施加的排斥力。
图：M-I在0.6秒时流体颗粒的分布，包括（a）密度、（b）压力和（c）速度的分布。
图：新型二维模型的概念及其分析：（a）忽略流体沿打印方向的运动建立模型；（b） 印刷和流变参数的影响研究。
文五：
利用平滑粒子流体力学多孔流模型模拟海岸植被的波浪动力学
摘要：
沿海植被是一种有效的基于自然的解决方案，可保护海岸线免受侵蚀和风暴潮的侵袭。详细了解波浪与植被之间的动态相互作用对于量化沿海植被在极端气候事件中的缓解潜力至关重要。本研究通过使用弱可压缩光滑粒子流体动力学 (WCSPH) 方法开发数值模型，研究波浪与沿海植被的动态相互作用。该模型通过将植被孔隙度、阻力和惯性力纳入动量方程来模拟植被的影响。通过整合特定背景点的孔隙度信息，SPH 插值方法有效地处理了流体和植被区域之间的界面，从而可以灵活地模拟各种植被布局，而无需明确模拟其固体结构，这在计算上是禁止的。使用基于实验室的测量和分析模型对涉及圆柱形和条带型植被的淹没和紧急场景的数值模型进行了验证。然后利用该模型研究植被作为海堤前的天然防线和改造解决方案的效果，以量化基于自然的解决方案在增强自然和混合沿海保护基础设施的气候适应力方面的性能。结果表明，冠层密度显著影响孤立波上升和能量耗散。对于本研究中测试的配置，与没有植被的模拟相比，高密度植被可将归一化波浪上升降低 52%，而低密度植被可实现 17% 的减少。这些发现证明了植被（特别是在较高密度下）减轻孤立波能量和减少上升危险的潜力。此外，模拟结果表明，使用植被作为改造解决方案可有效缓解溢流率，在森林密度最小（∅ = 0.023）的情况下实现 37% 的减少。这些结果强调了基于自然的干预措施在加强沿海保护和恢复力方面的有效性。
图：开发的SPH模型中考虑的不同区域的示意图，包括纯流体、过渡和多孔（植被）区域。
图：植被斑块内波浪计自由表面时间序列的比较。
图：灰色和混合防御的飞溅高度和累积波浪漫顶的比较。
图：不同植被改造密度下混合堤防平均漫顶流量的变化。
