多物理场下的光滑粒子流体动力学（SPH）框架

 

提出了基于光滑粒子流体动力学（SPH）的代码与多物理库之间的双向耦合，以解决复杂的流固相互作用问题。这项工作通过发布源代码提供了对包的完全访问，以使用这种耦合，完成了其编译和使用指南，并提供了用于实际使用新实现功能的自包含模板设置。所提出的耦合扩展了两种不同求解器的适用性，允许使用非光滑接触（NSC）或光滑接触（SMC）方法模拟流体、多体系统和摩擦接触碰撞，所有这些都集成在同一框架下。流体求解器是开源代码DualSPHysics，经过高度优化，可模拟自由表面现象和结构相互作用，是一款具有GPU加速求解器的通用计算流体动力学（CFD）软件。包括碰撞检测和/或多体动力学的机械系统由多物理库Project Chrono解决，该库使用离散单元法（DEM）。因此，这种SPH-EM耦合方法可以管理流体和具有相对约束、弹簧或机械接头的复杂多体系统之间的相互作用。

 

 

 

 

本文使用应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法的DualSPHysics软件对振荡水柱（OWC）波能转换器（WEC）的数值建模进行了研究。SPH是一种拉格朗日无网格方法，在计算流体动力学（CFD）领域的应用范围越来越广。OWC WEC的动力输出（PTO）系统通过在漂浮在OWC室内自由表面顶部的板上添加力进行数值模拟。该力在多物理库Project Chrono中实现，避免了在SPH方法中模拟计算成本高昂的气相的需要。验证是利用从韩国船舶和海洋工程研究所（KRISO）和国际能源署（IEA）任务10的海洋能源系统（OES）收到的实验数据进行的。在不同的波浪条件和不同的PTO系统（OWC WEC室顶部的不同孔口直径）下，比较了OWC-WEC室中心的数值和实验水面高程以及通过孔口的气流速度。结果表明，即使不包括气相，DualSPHysics也是一种有效的工具，可以对带和不带PTO系统的OWC WEC进行建模。

 

 

 

本文报告了光滑粒子流体动力学（SPH）方法在复杂、全尺寸海洋工程问题中的适用性。调查包括风力涡轮机重力基础的安装过程、驳船上的导管架下水以及螺旋桨引起的水道底部冲刷。对一系列基本情况的补充验证表明，所考虑的物理现象具有令人鼓舞的预测准确性。结果表明，SPH能够解决以流体/结构/土壤相互作用和几个浮体之间的流体动力学相互作用为特征的问题，这些问题对传统的基于网格的求解器提出了挑战。

 

 

 

 

在本文中，使用基于连续体方法的光滑粒子流体动力学（SPH），开发了一个三维计算模型来研究多物理框架中的生物膜。生物膜的形成是一个复杂的过程，因为几个物理现象是耦合的，因此涉及不同的时间尺度。一方面，生物膜的生长是由生物反应和营养物质扩散驱动的，另一方面，它受到流体流动的影响，在流体和可变形固体相互作用的背景下，导致生物膜变形和界面侵蚀。这些现象产生的几何和数值复杂性给基于网格的技术（如有限元）带来了严重的复杂性和挑战。这里的解决方案是基于SPH作为一种强大的无网格方法。基于SPH的计算建模在生物群落中是一种全新的方法，该方法在捕捉生物膜形成的界面相关过程（如侵蚀）方面具有独特的鲁棒性。所得结果与实验和已发表的数据吻合良好，表明该模型能够模拟和预测生物膜的整体时空演化。

 

 

 

 

在本文中，我们推广了Zhang等人（2017）提出的弱可压缩光滑粒子流体动力学（SPH）的固体边界条件，其中引入单侧Riemann解算器来确定流固相互作用，以在多分辨率场景中对具有大密度比和多相流固交互作用（FSI）的多相流进行建模。与Adami等人（2012）提出的边界条件（其中固体由虚拟粒子离散，虚拟粒子的物理量是从周围的流体粒子外推而来）相比，本方法非常简单有效，因为通过为每个相互作用的流体-固体粒子对构造单侧黎曼问题来避免额外的外推。这一特性使其直接扩展到多相流和FSI。此外，我们在多分辨率离散化中采用了惩罚方法来防止暴力多相模拟中的粒子穿透。研究了一组涉及高密度比和复杂界面的多相流和多相FSI的例子，以证明本方法的准确性、稳健性和通用性。本文提出的验证和Zhang等人（2017）报告的验证表明，本方法为解决多物理SPH应用中的固体（即刚性和柔性）边界条件提供了一种统一的方法。