论文部分内容阅读
摘 要：工业上聚合物加工过程中常涉及广义牛顿自由表面流问题，其数值模拟为当今国际上的研究热点。本文以Cross模型流体为主，对三维广义牛顿自由面流动问题SPH方法模拟研究的优缺点进行了探讨。为提高Cross模型流动问题模拟的精度和稳定性，结合密度耗散项和Taylor展开思想给出了一种适合三维广义牛顿自由面流动问题模拟的修正SPH离散格式。
关键词：修正SPH 自由表面流 Cross模型 密度耗散项
中图分类号：O35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0255-02
1 光滑粒子动力学方法的简介
目前，许多种基于网格的数值方法被提出且用于解决聚和物流的复杂自由表面問题，例如边界元法（BEM）和有限元法（FEM）等。尽管上述方法都被成功应用于流体力学的多个领域，但当用来解决三维复杂表面流，尤其是像严重网格畸变等这类大变形问题、非连续和高梯度问题时，通常有些困难。为了改善基于网格的方法的缺点并有效解决大变形问题，各种基于拉格朗日描述的无网格或粒子方法[1-2]被提出。SPH方法是一个纯粹的无网格方法，它最先被用于天体物理学中。SPH方法的关键思想是用一组粒子替代了流体域，这里引进一个平滑内核来近似光滑域变量和由相邻粒子相互作用引发的空间导数。每个粒子都有质量、拉格朗日位置、拉格朗日速度和内能，其他通过插入或由本质关系衍生，粒子以连续统的速度移动。
2 SPH方法的优缺点分析
SPH方法相较于基于网格的方法和EFG方法的优点：（1）它无需明确的表面追踪技术就可以轻而易举地处理复杂自由表面；（2）它对复杂问題的编程和并行化容易实施，尤其是针对没有网格重建的三维情况。鉴于此，SPH方法被广泛应用于许多流体力学领域，比如二维或三维的非牛顿液体流[3-4]或自由表面流等。
但是传统的SPH方法也存在着两大缺点：其一，低精确度；其二，稳定性差，且常伴随压力震荡现象。因此，为了提高传统SPH方法的数值精度和稳定性，一些修正的SPH方法被提出，例如改进的光滑粒子流体力学方法（CSPM）、MSPH方法和对称SPH方法（SSPH）等[4-5]。
3 已有改进SPH方法的缺点
上述提出的几种改进SPH方法未被广泛应用到非牛顿流动问题的研究[5-8]，且将它们直接推广应用到三维广义牛顿流动问题模拟时存在如下缺点。
（1）MSPH方法和SSPH方法中的矩阵奇异现象可能引起数值不稳定，尤其是在流体域边界附近。
（2）上述方法应用于三维复杂自由表面问题时，会导致复杂的编程和较大的计算量。
（3）随模拟时间的延长，流体大变形过程中仍有较严重的压力震荡。
4 改进方案
针对上述已有改进方法的不足之处，本文提出一种修正SPH方法与MPI并行技术相结合的方法，用于模拟三维广义牛顿表面流问题。给出的修正SPH方法的基本思想是将改进的SPH方法与传统SPH方法相结合，即改进的SPH方法通过在内部流体域上使用SPH_DTKGC方法[6]，在自由表面附近采用传统SPH方法。同时，给出了一种新的边界处理方式，且容易实施。另外，考虑了基于移动网格相邻粒子搜索方法的MPI并行技术，且在IBM的HPC平台上采用C++编程来提高三维问题模拟的计算效率。
5 结语
本文首先对SPH方法及其优缺点作了介绍，然后对已有改进SPH方法推广应用到广义牛顿自由表面流动问题的研究的缺点作了分析，并引入核梯度改进思想和密度耗散项，对SPH方法在三维广义牛顿流体流动问题模拟中的应用缺陷提出了相应的改善方案。
参考文献
[1] 刘谋斌，常建忠.光滑粒子流动力学方法中粒子分布于数值稳定性分析[J].物理学报，2010（59）：3654-3662.
[2] R.A.Gingold，J.J.Monaghan，Smoothed particle hydrodynamics：theory and application to non-spherical[J].Mon Not R Astron Soc，1977，181（3）：375-389.
[3] M.F. Tomé，A.Castelo，V.G.Ferreira，S.McKee，J. Non-Newton[J].Fluid Mech，2008（154）：179-206.
[4] J.K.Chen，J.E.Beraun，A generalized smoothed particle hydrodynamics method for nonlinear dynamic problems[J].ScienceDirect，2000（190）：225-239.
[5] M.B.Liu.，G.R.Liu，Restoring particle consistency in smoothed particle hydrodynamics[J].Applied Numerical Mathematics，2006（56）：19-36.
[6] Jinlian Rena，Tao Jiang，Weigang Lu，Gang Li.An improved parallel SPH approach to solve 3D transient generalized Newtonian free surface flows[J].Computer Physics Communications， 2016（205）：87-105.
[7] J.J.Monaghan，Simulating Free Surface Flows with SPH[J].Journal of Computational Physics，1994（110）：399-406.
[8] M.B.Liua，W.P.Xieb，G.R.Liu，Modeling incompressible flows using a finite particle method[J].Applied Mathematical Modelling，2005（29）：1252-1270.
关键词：修正SPH 自由表面流 Cross模型 密度耗散项
中图分类号：O35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0255-02
1 光滑粒子动力学方法的简介
目前，许多种基于网格的数值方法被提出且用于解决聚和物流的复杂自由表面問题，例如边界元法（BEM）和有限元法（FEM）等。尽管上述方法都被成功应用于流体力学的多个领域，但当用来解决三维复杂表面流，尤其是像严重网格畸变等这类大变形问题、非连续和高梯度问题时，通常有些困难。为了改善基于网格的方法的缺点并有效解决大变形问题，各种基于拉格朗日描述的无网格或粒子方法[1-2]被提出。SPH方法是一个纯粹的无网格方法，它最先被用于天体物理学中。SPH方法的关键思想是用一组粒子替代了流体域，这里引进一个平滑内核来近似光滑域变量和由相邻粒子相互作用引发的空间导数。每个粒子都有质量、拉格朗日位置、拉格朗日速度和内能，其他通过插入或由本质关系衍生，粒子以连续统的速度移动。
2 SPH方法的优缺点分析
SPH方法相较于基于网格的方法和EFG方法的优点：（1）它无需明确的表面追踪技术就可以轻而易举地处理复杂自由表面；（2）它对复杂问題的编程和并行化容易实施，尤其是针对没有网格重建的三维情况。鉴于此，SPH方法被广泛应用于许多流体力学领域，比如二维或三维的非牛顿液体流[3-4]或自由表面流等。
但是传统的SPH方法也存在着两大缺点：其一，低精确度；其二，稳定性差，且常伴随压力震荡现象。因此，为了提高传统SPH方法的数值精度和稳定性，一些修正的SPH方法被提出，例如改进的光滑粒子流体力学方法（CSPM）、MSPH方法和对称SPH方法（SSPH）等[4-5]。
3 已有改进SPH方法的缺点
上述提出的几种改进SPH方法未被广泛应用到非牛顿流动问题的研究[5-8]，且将它们直接推广应用到三维广义牛顿流动问题模拟时存在如下缺点。
（1）MSPH方法和SSPH方法中的矩阵奇异现象可能引起数值不稳定，尤其是在流体域边界附近。
（2）上述方法应用于三维复杂自由表面问题时，会导致复杂的编程和较大的计算量。
（3）随模拟时间的延长，流体大变形过程中仍有较严重的压力震荡。
4 改进方案
针对上述已有改进方法的不足之处，本文提出一种修正SPH方法与MPI并行技术相结合的方法，用于模拟三维广义牛顿表面流问题。给出的修正SPH方法的基本思想是将改进的SPH方法与传统SPH方法相结合，即改进的SPH方法通过在内部流体域上使用SPH_DTKGC方法[6]，在自由表面附近采用传统SPH方法。同时，给出了一种新的边界处理方式，且容易实施。另外，考虑了基于移动网格相邻粒子搜索方法的MPI并行技术，且在IBM的HPC平台上采用C++编程来提高三维问题模拟的计算效率。
5 结语
本文首先对SPH方法及其优缺点作了介绍，然后对已有改进SPH方法推广应用到广义牛顿自由表面流动问题的研究的缺点作了分析，并引入核梯度改进思想和密度耗散项，对SPH方法在三维广义牛顿流体流动问题模拟中的应用缺陷提出了相应的改善方案。
参考文献
[1] 刘谋斌，常建忠.光滑粒子流动力学方法中粒子分布于数值稳定性分析[J].物理学报，2010（59）：3654-3662.
[2] R.A.Gingold，J.J.Monaghan，Smoothed particle hydrodynamics：theory and application to non-spherical[J].Mon Not R Astron Soc，1977，181（3）：375-389.
[3] M.F. Tomé，A.Castelo，V.G.Ferreira，S.McKee，J. Non-Newton[J].Fluid Mech，2008（154）：179-206.
[4] J.K.Chen，J.E.Beraun，A generalized smoothed particle hydrodynamics method for nonlinear dynamic problems[J].ScienceDirect，2000（190）：225-239.
[5] M.B.Liu.，G.R.Liu，Restoring particle consistency in smoothed particle hydrodynamics[J].Applied Numerical Mathematics，2006（56）：19-36.
[6] Jinlian Rena，Tao Jiang，Weigang Lu，Gang Li.An improved parallel SPH approach to solve 3D transient generalized Newtonian free surface flows[J].Computer Physics Communications， 2016（205）：87-105.
[7] J.J.Monaghan，Simulating Free Surface Flows with SPH[J].Journal of Computational Physics，1994（110）：399-406.
[8] M.B.Liua，W.P.Xieb，G.R.Liu，Modeling incompressible flows using a finite particle method[J].Applied Mathematical Modelling，2005（29）：1252-1270.