SPH模拟的最新研究分享：物质运移、泥石流、激波、海上储油罐

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文一：

基于SPH的泥石流冲击效应三维定量模拟分析

摘要：

泥石流是一种多相混合物。基于Bingham和Herschel–Bulkley–Pa panastasiou（HBP）本构关系的传统数值模型无法同时表示流体的粘性和弹性特性，因此难以准确描述泥石流的流变特性。本文采用Oldroyd-B本构模型对泥石流的运动特性进行了表征。通过一维稳态Poiseuille流验证了Oldroyd-B模型在SPH框架中的适用性，并通过实验室试验校准了模型参数。最后，通过不同的挡板结构模拟了泥石流的冲击力和能量损失。计算结果表明，Oldroyd-B本构模型能够很好地表征泥石流运动特性。通过比较不同高度、形状和间距的挡板，提出了一种组合挡板模型。研究成果可为泥石流灾害的防灾减灾提供新的研究方法和思路。

图：内核插值。

图：两种类型的边界条件的草图a固定粒子方法b幽灵粒子方法。

图：固定边界核插值处理。

图：实验室试验。

图：有挡板和无挡板的泥石流运动特性。

图：不同挡板高度的流动运动学比较。

文二：

自适应移动窗口技术在平稳激波 SPH 模拟中的应用

摘要：

开发了一种新的自适应移动窗口（AMW）技术，用于在与模拟箱相关的移动坐标系中模拟静止冲击波。该系统的速度通过迭代反馈算法进行调整，目的是建立一个理想的冲击前沿位置。伽利略变换被迭代地用于保持流动轮廓的形状。与静止的完整材料相关的传统坐标系相比，移动坐标系在模拟方面具有优势。特别是，可以在该移动窗口（MW）中建立真正稳定的流态。使用平滑粒子流体动力学方法研究铜中的冲击传播的比较模拟证实，AMW比具有固定速度的MW技术更快地收敛到稳态。我们证明了AMW可以应用于非常弱的冲击。在多孔铜中导致部分孔隙压实的弱冲击的前部结构的SPH模拟中，揭示了AMW的优势。具体来说，我们阐明了在计算的冲击Hugoniot上，膝盖以下的冲击速度导致部分孔隙坍塌的机制，其中这个膝盖对应于孔隙的完全坍塌。

图：自适应移动窗口示意图：SPH中用于模拟静止冲击的具有边界子域的盒子。（A）是具有冻结态SPH粒子的流出子域，（B）是具有相互作用的固定速度粒子的额外流出子域。

图：MW和AMW技术模拟纵向应力的坐标-时间二维图在SW模拟中的应用𝑢𝑝 = 1000m/s。在MW的情况下，速度平滑地收敛于静止速度，但存在由目标函数振荡引起的流出速度的阻力。相反，AMW的收敛特征是流出速度呈阶梯状下降𝑢𝑜𝑢𝑡。

图：具有色条的 von Mises 应力图的 σvM ∈[0.035] GPa，纵向应力 σxx ∈[ -0.0084,0.8] GPa 和速度 ux ∈[ -420,330] m/s 的物质流通过稳态激波前缘。

图：AMW和基于粒子数的目标函数的收敛性比较𝜔(𝐹 = 𝑁) （红色）和基于应力的目标函数𝜔(𝐹 =𝜎) （蓝色）用于SW𝑢𝑝 = 在多孔铜中为100m/s。使用较少的迭代即可达到稳定流𝜔(𝐹 = 𝑁)。

文三：

活性粉末混合物冲击化学反应的 SPH 模拟

摘要：

反应材料（RM）是两种或多种非爆炸性固体成分的混合物，在极端条件下，其中会发生自我维持的化学反应，并释放出大量能量。了解RM中化学反应的动力学对其有效应用起着关键作用。在这项工作中，我们提出了一个基于光滑粒子流体动力学（SPH）的冲击诱导化学反应宏观数学模型，用于粒子尺度模拟。该模型包括材料的弹塑性变形、变形和化学反应引起的加热、成分的扩散和传热。对Al/S混合物中的零级和一级反应进行的测试计算表明，需要更可靠地确定化学反应的标准和常数。为此，我们提出了一个实验和理论上确定临界反应压力和反应速率常数的示意实验安排。化学反应的类型和相应的常数可以例如通过最大似然法来确定。我们从理论上确定了不同模式的化学反应区，并发现了弹丸速度和冲击波强度对化学反应发展和完成的影响。

图：放置在铁砧和炮弹之间的粉末的模型体积: 示意图表示和 SPH 模型。

图：在冲击波载荷下，Al/S粉末混合物中的反应开始：（a）是温度；（b）是反应产物的质量分数；（c）是压力。

图：冲击时Al/S粉末混合物中的反应发展；ηmaxis为t=1µs时的最大反应深度。

图：在冲击波载荷下，当（a）K=2.5/GPa时，Al/S粉末混合物中具有高加速度的一阶化学反应的平均深度；（b） K=5/GPa；（c） K=10/GPa。

文四：

用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟和实验研究Al–16Si合金摩擦堆焊中横移速度的影响

摘要：

采用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟和实验技术，评估了横移速度对AA1050合金表面Al–16Si合金摩擦表面微观结构、力学性能和耐磨性的影响。结果显示，随着横向速度从75毫米/分钟增加到115毫米/分钟，涂层的高度和宽度分别减少了54%和20%。此外，在界面处观察到未粘合区的相应增加。模拟结果显示，以75、95和115mm/min的横向速度涂覆的样品在涂层/基底界面处的最大剪切应力分别为83、95和112MPa。随着横向速度从75毫米/分钟上升到115毫米/分钟，摩擦堆焊所需的预测扭矩和垂直力分别增加了92%和22%。当横向速度从75提高到115毫米/分钟时，表面粗糙度下降，而界面粗糙度分别增加49%和86%。与AA1050基底相比，横向速度从75%提高到95毫米/分钟导致晶粒尺寸减小11%，硬度、强度和耐磨性分别增加13%、12%和8%。

图：微观结构检查、SPT试验、磨损试验和试样提取位置推动的示意图。突出显示的区域显示了检查的位置。

图：不同样品的横截面；a样品C-75，b样品C-95，C样品C-115。

图：涂层样品的预测横截面；a样品C-75，b样品C-95，C样品C-115（图上数字为塑性应变（mm/mm）），比较实验和模拟结果；d涂层尺寸，e）涂层效率。

图：不同涂层的三维表面粗糙度；a样品C-75，b样品C-95，C样品C-115。

图：磨损表面的SEM图像；a AA1050基板，b A390耗材棒，c样品c-75，d样品c-95，e样品c-115

文五：

规则波中两艘并排液化天然气船运动与储罐晃动耦合的SPH模拟

摘要：

在本研究中，使用开源代码DualSPHysics软件包，通过SPH方法模拟了液化天然气运输船两侧船舶运动与储罐晃动的相互作用。首先，对棱柱形和矩形储罐在强迫振荡运动下的晃荡流动问题进行了仿真，验证了本文提出的SPH算法。然后模拟了液化天然气运输船在规则波中的运动和储罐晃动的耦合响应，并将其结果与同一艘液化天然气船的CFD模拟、势流理论和实验的参考结果进行了比较，以进行验证。此外，还研究了两艘并排的液化天然气船在不同规则波浪条件下，在不同的储罐装载率下的运动与储罐晃荡的耦合，并与一个船舶案例进行了比较。结果表明，较高的液舱装载率可以减少升沉和俯仰运动，而滚转运动对液体货物重量不敏感。与单一布置的船舶相比，两个相邻船舶之间的间隙共振流可以增加相邻船舶的运动幅度。本文提出的SPH方法在液化天然气船舶并联工况下的设计和水动力性能评估中具有潜在的工程应用价值。