无网格（Meshfree）粒子类（particle）模拟方法的最新研究进展
文一：
用光滑粒子流体动力学模拟范德华力：在薄液膜破裂中的应用
摘要：
范德华力驱动的薄液膜破裂在许多工程过程中具有重要意义，以往的研究大多依赖于润滑近似。在本文中，我们发展了范德华力的光滑粒子流体动力学（SPH）表示，并利用润滑理论模拟了薄液膜的破裂。SPH中的范德华力仅施加在一层上，即流体颗粒的最外层，其中使用加权函数来评估界面上或界面附近颗粒的贡献。然而，为了获得对范德华力的精确静水压力，加权函数的计算所使用的平滑长度比大块流体的SPH离散所使用的光滑长度更小。同样的表面粒子也用于对表面张力进行建模。为了处理具有非常小的纵横比raε（ε=厚度/长度）的薄液膜的破裂，引入坐标变换来收缩液膜的长度，以实现具有可管理数量的粒子的精确数值分辨率。作为对物理模型和数值算法的验证，我们模拟了静止膜中的静水压力和初始方形液滴的弛豫，并将SPH结果与解析解进行了比较。然后将该方法应用于模拟中等和小纵横比（ε=0.5和0.005）的薄液膜的破裂。通过将粒子间距细化到四个不同的水平来验证该方法的收敛性。分析了毛细管数对破裂过程的影响。
图：范德华力fv的示意图：力的方向垂直于基底。
图：(a)光滑曲面和(b)动态变形曲面的加权函数 λ。
图：最小膜厚度的跳跃现象在两个连续的时间步长（t=13.7和13.7001）。在这个图中，最外层的流体颗粒的层用红圈表示，而内部颗粒是黑圈。
文二：
大变形破裂流固耦合问题的 PD-SPH 耦合建模
摘要：
提出了一种基于虚拟粒子和排斥力的简单而精确的耦合周动力学（PD）和光滑粒子流体动力学（SPH）策略来模拟大变形和压裂的流体-结构相互作用（FSI）问题。为了处理流体-结构界面区，将流体颗粒支撑域内的周动力学颗粒视为虚拟颗粒，通过虚拟颗粒确保流体颗粒的全核支撑，可以对流体颗粒施加不同的边界条件，并施加防止渗透的排斥力。对于动量守恒，作用在流体粒子上的周动力学粒子同时受到相反的力。已经对涉及大变形和破裂的纯固体结构的周动力学模型和FSI的耦合PD-SPH模型进行了验证研究，所有这些都与分析解、可用的实验数据和/或其他数值结果非常一致。最后，将所提出的方法用于研究水射流岩石破碎问题，结果进一步表明，所提出的耦合PD-SPH模型能够处理流体诱导固体破碎的复杂FSI问题。
图：近场动力学颗粒之间相互作用的示意图。
图：固定固体边界的CD-SBT算法图解。
图：PD-SPH耦合方案示意图。
图：悬臂梁的初始几何形状。（a） 初始几何模型；（b） 近场动力学模型。
图：集中荷载F为8kN时有限元结果与近场动力学模拟结果的比较。（a）&（b）是FEM给出的水平和垂直位移，（c）和（d）是近场动力学给出的相应结果。
图：弹性板上静水柱的初始几何形状和PD-SPH模型。（a） 初始几何模型；（b） PD-SPH耦合模型。
图：实验结果与现有模拟的比较。
图：弹性闸门自由端位移的比较。(a)水平位移; (b)垂直位移。
图：工况I的水力裂纹扩展路径和失效模式。（a）t=0.67ms；（b） t=1.0毫秒；（c） t=1.2毫秒；（d） 实验结果
图：岩石损伤场的演化过程。（a） t=0:2 微秒；（b） t=5 微秒；（c） t=10 微秒；（d） t=15 微秒。
文三：
波浪-浮冰相互作用和过冲的无网格粒子法数值研究
摘要：
在某些波浪条件下，规则波浪和浮冰之间的相互作用涉及过冲，其特征是波浪在具有大变形自由表面的浮冰表面上流动。采用内部移动粒子半隐式（IMPS）方法来模拟波浪与浮冰的相互作用，特别是对于特定的行为，即由于海冰的小干舷和大的物体运动而产生的过冲。在这项工作中，使用基于斯托克斯波理论的拉格朗日粒子方法生成了一系列规则波。将浮冰模型简化为不带和带边缘屏障的圆盘和带中心孔的圆盘，可用于研究过冲的影响。分析了规则波浪条件下不同波长和恒定波高下浮冰的水动力响应。与基于网格的方法相比，基于拉格朗日粒子的方法在处理波浪过冲过程中高度变形的自由表面方面具有优势。活塞式造波器和海绵层分别用于产生波浪和避免波浪从壁边界反射。验证包括直径400 mm、厚度15 mm的圆形浮冰与波长λ/D为1.5至3.5的规则波相互作用。将原始圆盘的RAO与带有边缘屏障和中心孔的圆盘的RAOs进行了比较。浮冰上的过度冲刷可以通过使用边缘屏障来防止。提出并模拟了一种新型的过冲，即波浪在上表面流动，然后进入孔中。目前的数值预测结果与实验数据和使用CFD代码Flow-3D公布的数值结果非常一致。
图：造波器和海绵层。
图：计算区域、边界条件和坐标系示意图。
图：用于验证的水槽两点处波浪高度的时间历程。
图：(a) t = 7.0 s 和(b) t = 7.4 s 时 λ/D = 2.5的波的自由面。
图：三块浮冰的涌浪、起伏和俯仰运动的时间序列。
图：模型1自由曲面的四个典型瞬时(λ/D = 1.5)。
图：不同波长下三种模型的溢流比较。
图：三种不同波长模型的压力场比较。
文四：
基于三维拉格朗日无网格投影的水弹性流体-结构相互作用求解器
摘要：
本文提出了一种三维完全拉格朗日无网格求解器，用于再现与不可压缩流体流和弹性结构相对应的流体-结构相互作用（FSI）。基于投影的粒子方法，即运动粒子半隐式（MPS），与基于哈密顿粒子的结构模型（称为哈密顿MPS（HMPS）结构模型）相耦合。HMPS结构模型是在哈密顿力学的框架下通过考虑粒子系统的拉格朗日量来配置的，从该拉格朗日量可以通过变分原理导出非线性弹性动力学的运动方程。通过四个基准试验验证了HMPS结构模型的稳定性、准确性和能量/动量守恒特性。然后，通过应用数学-物理兼容的耦合方案，对MPS和HMPS模型进行耦合。通过考虑四个FSI基准测试，验证了所提出的3D MPS–HMPS水弹性FSI求解器的准确性、稳定性、收敛性和守恒特性。据我们所知，本文在基于投影的粒子方法的背景下，提出了第一个完全拉格朗日无网格的三维水弹性FSI求解器。此外，通过引入多分辨率方案，还描述了所提出的求解器的自适应性。
图：3D MPS–HMPS水弹性FSI求解器中的模拟过程流程图。
图：（a） 对于薄板的（m，n）=（1,1）、（2,1）和（2,2）自由振动情况，通过三维HMPS结构模型计算（m，n）=（2,2，（b–d）粒子快照和应力（σxx）场的示意图。
图：（a） 计算装置示意图，（b）在t=0.21s和t时通过3D HMPS拍摄的颗粒快照和应力（σxx）场=0.92s——自由振荡悬臂杆的动态响应。
图：(b)3D HMPS 和(c)3D MPS 在 t = 0.31 s 扭转圆柱体上的计算设置示意图，(b，c)粒子快照和再现应力(σxx)场。
图：由3D MPS–HMPS FSI解算器——弹性板上的静水柱再现的（a）t=0.05 s，（b）t=0.2 s时的颗粒快照以及压力（p）/应力（σxx）场。
图：由3D MPS–HMPS水弹性FSI解算器（承受设计重力加速度的水柱下的弹性板）再现的（a）t=0.0125 s、（b）t=0.0375 s、（c）t=0.0625 s和（d）t=0.0875 s处的颗粒快照以及压力（p）/应力（σxx）场。
图：由3D MPS–HMPS（MR）再现的颗粒快照以及t=0.58 s时的压力（p）/应力（σxz）场，MR：多分辨率——弹性板上的溃坝。
文五：
无网格粒子与有限元相结合的界面波-结构相互作用模型
摘要：
本研究提出了一种新的波-结构相互作用模型，这是一种基于网格自由粒子方法的兼容界面波-结构交互作用模型，用于自由表面流分析；用于结构分析的FEM。我们采用显式表示多边形（ERP）壁边界模型来表示流体-结构界面，这是一种适用于无网格粒子方法的多边形壁边界模型。所提出的模型中的流体-结构界面在几何上是兼容的，因为ERP模型在处理复杂的形状和移动边界方面具有优势，并且它能够直接使用结构的有限元模型给出的表面网格和形状函数。这允许从有限元中自动生成用于自由表面流分析的多边形，因此大大增加了分析的灵活性。基于多边形和有限元之间的兼容界面，我们提出了一种基于迭代划分方案的强耦合算法，该算法定义了流体和结构之间的相互作用模型。我们对流体颗粒施加在结构上的力进行建模，以满足流体-结构界面上的动力学边界条件。我们通过解决两个基准问题来对所提出的模型进行验证和验证测试。
图：具有自由表面的流体-结构相互作用问题示意图。
图：表示壁面边界为颗粒的传统壁面模型示意图(壁面颗粒模型)和多边形壁面边界模型。
图：有限元之间兼容界面波-结构相互作用模型示意图。
图：粒子i施加在多边形墙上的点荷载和与荷载对应的等效节点力
图：弹性障碍物溃坝：基于块高斯-塞德尔（BGS）方法的拟议模型从t=0.0[s]到t=0.84[s]的模拟快照；压力等值线用颜色表示（最小值：0.0[N/m2]，最大值：2500.0[N/m2]）。
来源：STEM与计算机方法
