光滑粒子流体动力学方法及应用

数值仿真能为理论提供测试和检验，有助于对复杂的物理问题加深认识，甚至还能帮助解释和发现新现象，近年来逐渐成为解决现代工程和科学问题的一条重要途径。无网格方法作为数值仿真方法的一种，因其在许多应用中都优于传统的基于网格的有限元法、有限差分法以及有限体积法等数值方法而备受关注。而光滑粒子动力学方法就是无网格方法的一种，所以研究光滑粒子动力学方法具有重要的理论和应用价值。
本书比较系统地介绍了光滑粒子流体动力学方法，它是在笔者多年来从事光滑粒子动力学研究与应用的基础上编写而成的。本书介绍了SPH原理及计算实施方法，以SPH数值方法为基础，深入讲解了SPH方法在两相耦合流动、三维仿真中以及管道气力输送系统中的应用，重点介绍了其中的关键技术，给出了实现方法，并用数值算例和实验进行了验证，实验结果证明了本书提出的SPH两相耦合方法、三维仿真方法以及溃坝阻挡、球体上浮、流体波浪运动、管道气力输送等实现方法的可行性、有效性，扩展了SPH方法的工程应用领域，具有重要的理论和应用价值。
笔者在研究光滑粒子动力学及编写本书的过程中，得到了新加坡国立大学、美国辛辛那提大学、北京大学、湖南大学、哈尔滨工程大学的多位老师的支持和帮助，也得到了山东省农机装备研发创新计划项目（2018YF016）、山东省重点研发计划（2019GNC106032）、山东省高校科研计划项目（J13LB62）、山东大学博士后等项目的支持与资助，在此表示感谢！
由于光滑粒子动力学方法发展迅速，技术和工程应用不断更新，同时笔者水平有限，加上时间仓促、精力有限，书中的疏漏之处在所难免，恳请广大读者和同行不吝指正。

著者

本书系统地研究了新一代无网格方法——光滑粒子流体动力学（SPH）方法在应用及扩展过程中的相关关键技术，实现了SPH方法的两相耦合应用和三维应用，在此基础上对溃坝阻挡、球体上浮、流体波浪运动、管道气力输送等过程进行了数值仿真和分析，扩展了SPH方法的工程应用领域，为SPH方法真正辅助试验创造了条件，这对提高SPH方法的工程应用能力具有十分重要的意义。
本书可供使用光滑粒子流体动力学（SPH）方法进行计算机数值仿真计算的科研技术人员参考。

第1章数值仿真与管道气力输送介绍 1
1.1数值仿真2
1.1.1数值仿真的作用2
1.1.2数值仿真一般求解过程3
1.2基于网格的方法4
1.2.1拉格朗日网格5
1.2.2欧拉网格5
1.2.3基于网格的数值方法的局限性6
1.3无网格方法7
1.4光滑粒子动力学方法11
1.5管道气力输送问题14
本书主要研究内容16

第2章SPH方法在流体动力学问题中的应用 18
2.1光滑粒子动力学原理19
2.2光滑粒子动力学基本方程20
2.2.1函数的积分表达20
2.2.2函数的粒子表达21
2.2.3光滑函数22
2.3拉格朗日型的Navier-Stokes方程25
2.4Navier-Stokes方程的SPH表达式26
2.5SPH的计算实施方法27
2.5.1粒子的密度近似27
2.5.2核函数28
2.5.3状态方程29
2.5.4人工黏度31
2.5.5边界处理31
2.5.6时间积分34
2.6SPH程序结构35
2.7数值算例36
2.7.1冲击管问题36
2.7.2腔内剪切流动问题37
本章小结41

第3章SPH方法的两相耦合流动研究 43
3.1SPH两相耦合流动技术44
3.2密度正则化46
3.3状态方程修正47
3.4速度修正48
3.5气泡上浮两相耦合流动数值仿真48
3.6溃坝数值仿真56
本章小结60

第4章SPH方法的三维数值仿真研究 62
4.1粒子的初始位置配置63
4.1.1初始位置粒子配置原则63
4.1.2不同结构模型的配置方法64
4.2SPH方法的最近相邻粒子搜索研究66
4.2.1最近相邻粒子搜索法66
4.2.2粒子对的相互作用70
4.3光滑长度的优化和松弛更新73
4.3.1可变光滑长度技术73
4.3.2光滑长度的更新74
4.3.3优化和松弛过程75
4.4三维溃坝数值算例76
4.4.1SPH参数设置76
4.4.2数值结果分析77
本章小结81

第5章基于CFD的流体计算机仿真 82
5.1溃坝案例仿真实验84
5.1.1概述84
5.1.2从三维立体研究溃坝模拟84
5.1.3从二维剖面研究水坝水流仿真89
5.2球体上浮仿真实验94
5.2.1概述94
5.2.2球体上浮仿真和计算94
5.3流体波浪模拟实验99
5.3.1概述99
5.3.2流体无漂浮物波浪模拟实验100
5.3.3流体有漂浮物波浪模拟实验106
本章小结111

第6章管道气力输送过程的SPH数值仿真 113
6.1管道气力输送概述114
6.2气力输送系统115
6.2.1系统组成115
6.2.2气力输送管内流型116
6.2.3主要设计参数118
6.2.4输送模型122
6.3气力输送一般规律123
6.3.1固气速度比研究123
6.3.2固气速度比规律127
6.3.3速度拟合128
6.4SPH物理黏度计算131
6.4.1物理黏度的迭代求和法131
6.4.2物理黏度和人工黏度的区别135
6.5SPH人工热量136
6.6SPH管道输送方法的边界处理137
6.7管道气力输送二维仿真及实验验证138
6.7.1SPH方程及相关参数设置138
6.7.2计算结果及分析139
6.8管道气力输送的三维SPH数值仿真143
6.8.1粒子初始配置143
6.8.2SPH三维气力输送数值仿真的参数配置143
6.8.3三维SPH数值仿真结果144
6.9SPH管道气力输送系统设计147
6.9.1用户界面设置147
6.9.2VC++与Fortran混合编程实现方法148
6.9.3系统运行实例149
本章小结151

附录SPH程序的描述 153

参考文献 156