SPH方法的优化及在水波与半圆型防波堤作用中的应用

sph方法在两相流动问题中的典型应用
SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法是一种独特且有效的数值模拟方法，在双相流动问题中得到了广泛的应用。

这种方法可以将物体中的所有元素表示为一系列细小的粒子，从而计算出流体流动时物体中不同位置的复杂流动场。

由于SPH方法前所未有的精确性和准确性，因此，在双相流动问题中得到了广泛的应用。

例如，SPH方法可以用于对两态流体的混合性能进行模拟，以估算不同形式的树脂传播需要的时间，预测双相流体的行为，以及模拟石油在下游的移动情况。

SPH方法也可以应用于工业设备中的流体流动模拟中，以评估和优化设备的运行状况，例如离心泵和水下泵。

同时，SPH方法在核工业、航空航天、火箭、汽车和化学反应等方面也有广泛的应用。

比如，可以用来模拟火箭发射时尾流的燃烧过程，也可以应用于模拟汽车的外部流动，评估和优化外部流动的表现能力，用于汽车的设计开发以及核反应堆中的燃料沉积。

因此，SPH方法在双相流动问题中具有重要的应用。

它比传统的多物理场理论方法具有更佳的精度，更大的计算效率，更好的可编程性，能更快速地适应行业变化，从而提高技术水平。

因此，SPH方法在双相流动问题中极其重要，将依然受到行业的持续关注和应用。

GPU加速的SPH方法在溢洪道水流模拟中的应用王巍【摘要】基于拉格朗日描述的光滑粒子动力学方法(SPH)擅长于处理自由面剧烈变化的水流现象,十分适合水利工程中泄洪等问题的数值模拟.然而,SPH方法通常采用均匀分布的粒子对流体计算域进行空间离散,对于工程问题而言需要的粒子数量较多、计算量大.为了突破SPH方法在实际大规模计算中的适用范围,采用C++和CUDA混合编程的技术,借助GPU实现了对SPH方法的并行加速.通过WES三圆弧段组成的光滑溢洪道过流问题,验证了GPU加速的SPH方法的计算精度和可靠性,计算效率相对原始的SPH仿真过程提高了61.8倍.最后,将GPU加速的SPH方法应用于水利工程的溢洪道泄流问题,分别模拟了光滑溢洪道和台阶式溢洪道流动特性,通过自由面的演化过程及泄流沿程截面上的速度分布状态,对比分析了台阶对泄流现象的影响.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2019(050)003【总页数】7页(P216-221,226)【关键词】光滑粒子动力学方法;GPU加速;台阶式溢洪道;消能率【作者】王巍【作者单位】吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林长春130021【正文语种】中文【中图分类】TV5121 研究背景台阶式溢洪道是将传统光滑溢洪道的泄流槽做成台阶式，水流在流经台阶时与每级台阶均产生剧烈的碰撞，形成水流的旋滚及内部的紊动剪切作用，促使水流表面破碎，进而能显著增加溢洪道的泄流消能率，有助于减小下游消力池的规模[1-2]。

所以，目前台阶式溢洪道在国内外许多工程上得以应用[3-5]。

然而，水流与台阶之间的剧烈作用将对溢洪道的安全提出挑战，有必要对台阶式溢洪道的流动现象及机理进行系统研究，以确保溢洪设施的安全。

尽管世界各国水利工程技术人员对此流动问题开展了大量的试验研究[6]，但受限于尺度效应、测量手段、经费等原因，难以获取流动机理分析所必备的详细数据。

相较之下，采用数值模拟的手段对该泄流问题进行研究能够得到丰富的可视化结果，故而深受研究人员的青睐[7-8]。

文章编号:1001-4500(2004)03-0034-04半圆形防波堤抗滑移稳定浅析刘　明,张宁川(大连理工大学,大连116024) 摘　要:基于二维随机波浪对半圆形防波堤作用的物理模型试验和相关理论,分析不同水深下影响半圆形防波堤抗滑稳定的因素,找出堤体滑移失稳破坏和不同水深下滑移方向不同的原因。

关键词:防波堤;二维随机波浪;波浪力 中图分类号:P 753 文献标识码:A半圆形防波堤是日本研制开发的一种较为新型防护建筑结构物,可用于港口防波堤、海岸、河岸保护和河口航道治理,在我国海岸和河道治理工程中被大量采用,国内也对半圆形防波堤展开研究工作[1]。

本文采用物理模型试验对半圆形防波堤在不同水深下的波浪作用进行简要分析,分析不同水深下影响半圆形防波堤抗滑移稳定的因素,找出堤体滑移失稳破坏和不同水深下滑移方向不同的原因。

1　模型及试验条件 模型试验在大连理工大学近海与海岸国家重点实验室的浑水水槽中进行,水槽长56m ,宽0.7m ,最大水深0.7m ,配有实验室自制的不规则波造波机,周期控制范围为0.5～5s ,采用微机控制与数据采集系统,两台流量为0.5m 3 s 轴流泵组成的双向造流系统,设有搅拌池与沉沙池,在水槽的一端安装消浪设备。

图1　半圆堤模型断面和压力盒布置(单位c m )试验模型为有机玻璃制成,长0.68m ,高0.35m ,半径0.25m ,底板宽0.58m ,堤身未开孔。

为了减小防波堤对波浪的反射影响,将模型放置在水槽中部,距离造波板约33.5m 处,堤前设有1∶20的缓坡,堤下设置有细石透水垫层,堤身一共布置14个点压力盒测量同步压强(图1中小圆形为压力盒)。

测量压强系统采用天津水科所的SG 2000压力测量系统,仪器出厂前均经过严格检测、反复率定,性能可靠,在试验之前对14个压力盒做了检测和率定。

2　堤体受压分布特征 模型试验所得数据经积分后可得总水平波浪力和总垂向波浪力,分析不同水深条件下规则波和不规则波其最大波浪荷载作用下堤身的压强分布情况,了解堤体受力特征,可找出堤体抗滑移的解决方法,波浪力方向定义参见图3,分析时按堤前水深状态划分。

SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)算法是一种流体模拟算法，他的特点是简单快速，可以用在例如游戏这样的实时的交互软件中。

SPH算法虽然简单，但要完全搞明白其中的原理和实现方法，也不是易事，写这个系列希望能全面介绍一下相关的内容，如果你搜索到这里，可以仔细看一下这个系列，希望能帮到你。

烟雾、海浪、水滴…，这些司空见怪的自然现象其实有着非常复杂的数学规律，对于流体的研究，有两种完全不同的视角，分别是欧拉视角和拉格朗日视角。

欧拉视角的坐标系是固定的，如同站在河边观察河水的流动一样，用这种视角分析流体需要建立网格单元，还会涉及到有限元等复杂的工程方法，一般用在离线的应用中。

而拉格朗日视角则将流体视为流动的单元，例如将一片羽毛放入风中，那么羽毛的轨迹可以帮我们指示空气的流动规律。

欧拉视角和拉格朗日视角SPH算法是典型的拉格朗日视角，它的基本原理就是通过粒子模拟流体的运动规律，然后再转换成网格进行流体渲染。

>>在正式开始之前，需要把SPH算法涉及到的相关数学概念介绍一下，这些概念基本上都是大学数学中的内容，所以不用紧张，翻翻书就能想起来。

标量场和矢量场如果空间区域内一点M，都有一个确定的数量f(M)，则称这个空间区域内确定了一个标量场，如果空间区域内任意一点M，都有一个确定的向量F(M)，则称这空间区域内确定了一个矢量场。

例如，液体中的密度，就是标量场，而速度，就是矢量场偏导数对于多元函数z=f(x,y)，定义z在(x0,y0)处相对于x的偏导数为(1.1) 例如，定义z=x2+2xy+y3，那么∂z/∂x=2x+2y, ∂z/∂y=2x+3y2哈密顿算子哈密顿算子׏在流体力学中是如此重要，以至于很多地方将这个符号作为流体力学的标志，所以这里要着重介绍一下，所谓“算子”，就是那种不能单独存在，必须和其他符号放在一起的一种数学符号，例如微分中的那个“d”。

哈密顿算子的定义如下：(1.2) 哈密顿算子有很多有趣的特性，它本身虽然并不是一个矢量，但很多运算确实可以把它视为一个矢量，例如把它作用在一个标量场A=f(x,y,z)上，那么(1.3) 这个运算可以视为一个矢量和标量的乘法，得到的׏A是一个矢量场，称为A的“梯度”，顾名思义，梯度的含义就是标量场A在某处变化快慢和方向，比如一个标量场H (x,y)是一座高山在(x,y)处的高度，则H的梯度是该高山在某处陡峭的程度，并且方向指向高处。

一种SPH应力修正算法及自由表面流中的应用王志超;李大鸣;胡永文【摘要】In order to suppress the stress unstability of SPH method,a stress correction algorithm that calculating the tensile and compressive stress with different kernel functions and state equations is proposed.Then an improved Quintic kernel function improve compressive stress stability of SPH model is introduced.The stress correction algorithm increases Bell-Shaped kernel's smooth length to promote the tensile stresses stability.Moreover the stress correction algorithm is applied to simulate oscillation and deformation of a square droplet under weightlessness conditions.Several numerical results of different algorithms are proposed for comparative analysis.In addition,to further verify the algorithm's applicability,this paper simulates a dam break example.Studies show that Improved Quintic kernel function significantly solved particles aggregation problem.The SPH stress correction method can make droplets having more uniform particle distribution and more smooth freesurface,effectively improve the stress stability of SPH method as well as the simulation accuracy of free surface flow.%提出了一种SPH应力修正算法,即模型中的拉应力和压应力分别采用不同的插值核函数和状态方程来处理,改善应力稳定性问题.介绍了一种改进的Quintic核函数,用于改善模型中压应力的稳定性.通过增加钟型核函数的光滑长度,改善模型中拉应力的稳定性.采用该应力修正算法模拟了无重力条件下方形液滴的震荡变形过程,对比分析了不同算法的模拟结果.此外,为进一步验证算法的适用性,模拟了溃坝算例.研究表明,改进的Quintic型核函数明显改善了粒子聚集现象,该SPH应力修正方法可以使液滴具有更均匀的粒子分布以及更光滑的自由表面,有效改善了SPH方法中的压应力不稳定作用以及自由表面流的模拟精度.【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】5页(P101-105)【关键词】SPH;应力修正;核函数;液滴;表面张力【作者】王志超;李大鸣;胡永文【作者单位】江西省水利科学研究院,南昌 330029;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300073;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300073【正文语种】中文【中图分类】O35光滑粒子法流体动力学方法SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics Method)最早由Lucy等[1,2]提出，是最早出现的无网格方法，起初主要用于宇宙天体运动问题的研究，然后不断发展并应用于现代计算流体力学[3-5]和固体力学[6]领域。

SPH方法SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法是一种基于粒子的流体动力学数值模拟方法，它可以有效地模拟流体的运动和相互作用。

SPH方法最初是由Gingold和Monaghan在1977年提出的，它在模拟自由表面流动、多相流动、冲击波等方面具有很好的适用性。

在工程领域和科学研究中，SPH方法已经得到了广泛的应用，并且在模拟复杂流体问题上取得了很多成功的实例。

SPH方法的核心思想是将流体连续介质看作由大量的质点（粒子）组成，每个粒子都带有一定的物理量（如质量、密度、速度等）。

通过对这些粒子进行相互作用的计算，可以得到整个流体系统的运动状态。

相比传统的有限元方法和有限体积方法，SPH方法更适用于处理自由表面流动和大变形流体问题，因为它不需要网格，可以自适应地适应流体的形变和运动。

在SPH方法中，流体的运动状态由每个粒子的物理量来描述，通过对每个粒子的运动方程进行离散化和数值求解，可以得到整个流体系统的运动状态。

在计算过程中，需要考虑粒子之间的相互作用力，包括压力力、粘性力、重力等。

这些相互作用力可以通过核函数来进行离散化，并且可以通过邻近粒子的加权平均来进行计算，从而得到每个粒子受到的合力。

SPH方法的一个重要特点是其自适应性，因为它不需要网格，所以可以很好地处理自由表面流动和大变形流体问题。

在模拟自由表面流动时，只需要在自由表面上生成一些表面粒子，并且通过一定的边界条件来控制这些表面粒子的运动状态，就可以很好地模拟出自由表面的运动。

而在模拟大变形流体问题时，由于SPH方法不需要进行网格重构，所以可以很好地处理流体的大变形和破碎等现象。

除了在流体动力学模拟中的应用外，SPH方法还可以很好地模拟其他物理现象，如固体动力学、气体动力学等。

在固体动力学中，SPH方法可以很好地模拟材料的变形和破碎现象，因为它不需要网格，可以很好地处理材料的大变形和破碎。

在气体动力学中，SPH方法可以很好地模拟气体的流动和相互作用，因为它可以很好地处理气体的自由表面和大变形现象。

不同锚固方式双方箱浮防波堤水动力特性的SPH模拟王烨;王永学;贺铭;任冰【摘要】Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is used to build a numerical model that simulates the motion response of dual pontoons floating breakwater under wave action. The numerical model calculates its transmission/reflection coefficients and motion response. Numerical simulation accords with the experimental results. In addition, the numerical calculation is carried out to analyze the hydrodynamic characteristics of dual pontoons floating breakwater under the conditions of different incident wave periods and anchoring ways. The numerical calculation results lead to similar transmission coefficients of dual pontoons floating breakwaters in cross and parallel anchoring ways, but the motion range and anchoring force of the former one are slightly larger than that of the latter one.%应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法，建立了模拟波浪作用下双方箱浮防波堤运动响应的数值模型，计算了其透射系数、反射系数和运动响应，数值模拟与试验结果符合较好。

SPH方法的基础认识SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法是一种基于Lagrangian方法的流体动力学模拟方法，在流体动力学研究和计算流体力学领域得到了广泛应用。

本文将从SPH方法的基本思想、方法原理和应用领域等方面进行详细介绍。

一、基本思想SPH方法最早由Lucy于1977年提出，其基本思想是将流体连续体分割为一系列离散的质点，每个质点都包含了流体的属性信息，如位置、速度、密度等。

通过质点之间的相互作用力来模拟流体介质中物质的运动和变形。

二、方法原理1.平滑核函数在SPH方法中，质点的属性值通过将邻近质点的属性值加权平均来获得。

这种加权平均是通过核函数实现的，核函数决定了邻近质点在计算加权平均时所占的权重。

通常，核函数选择具有紧致支持域和平滑衰减特性的函数。

2.质量守恒原理质点之间的相互作用力的计算基于质量守恒原理。

具体地，质点之间的相互作用力可以通过考虑质点之间的压力梯度和粘性力等来计算。

三、算法框架1.初始化在模拟开始前，需要对质点的位置、速度、密度等进行初始化，同时初始化边界条件和流体物理参数。

2.邻域对每个质点，需要其邻域内的其他质点。

一般使用栅格或kd树等数据结构来提高效率。

3.计算密度和压力通过将邻近质点的质量加权求和来计算每个质点的密度，然后通过状态方程计算每个质点的压力。

4.计算力和加速度根据质量守恒原理，计算每个质点受到的力和加速度，包括压力梯度力、粘性力等。

5.更新位置和速度根据计算得到的力和加速度，使用数值积分方法更新每个质点的位置和速度。

6.边界处理处理流体与边界的相互作用，如反射、吸收等。

7.循环迭代重复步骤3-6，直到达到模拟的结束条件。

四、应用领域1.自由表面流动模拟：SPH方法可以模拟液体的自由表面流动，如水面波浪、水柱喷射等。

2.多相流模拟：SPH方法可以模拟多相流动，如气液两相流、液体颗粒悬浮物等。

3.爆炸和碰撞效应模拟：SPH方法可以模拟爆炸和碰撞等物理现象，如爆炸冲击波、车辆碰撞等。