一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法。所述方法包括：对液体采用粒子进行离散，对计算区域设置网格，并将粒子的位置存储到网格内；求解粒子的法向量；判定自由表面粒子；设置网格的level

【技术实现步骤摘要】
一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法


[0001]本专利技术属于流体动力学领域，具体涉及一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法。

技术介绍

[0002]粒子法作为新一代流体数值模拟方法，在Lagrange坐标系下表征介质的运动规律，粒子携带的位置、速度和压力等信息通过基于核函数的粒子作用模型产生相互作用。在处理自由表面，计算区域破碎与融合及存在大变形等一类问题时具有明显优势，打破了节点间存在固定拓扑结构的限制，成功避免了网格畸变、新旧网格转换等复杂过程。SPH(Smooth Particle Hydrodynamics)和MPS(Moving Particle Semi
‑
implicit)方法是两种具有代表性的粒子法，分别针对可压缩流动和不可压缩流动的模拟而提出，但近年来，随着模型的不断发展和完善，两种粒子法均可用于可压缩流动和不可压缩流动的数值模拟。粒子法填补了传统网格法在计算流体大变形和多组分、多相流动问题上的不足，近年来受到越来越多的关注。国内外学者已经将粒子法成功应用于核工程、海洋、机械和生命等领域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、对液体采用粒子进行离散，对计算区域设置网格，并将粒子的位置存储到网格内；S2、求解粒子的法向量；S3、判定自由表面粒子；S4、设置网格的level
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set函数；S5、对网格的level
‑
set函数值进行光滑处理；S6、计算网格level
‑
set函数的梯度；S7、计算自由表面粒子附近网格的曲率；S8、计算自由表面粒子的曲率；S9、插值网格level
‑
set函数的梯度到自由表面粒子；S10、计算自由表面粒子的张力，从而得出速度和位移，完成自由表面张力建模。2.根据权利要求1所述的一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法，其特征在于：步骤S1中，计算区域包括液体区域和气体区域，液体区域采用粒子进行离散，气体区域不设置粒子；所设置网格的宽度与粒子的尺寸相等；网格的边界位置为粒子边界位置向外延伸粒子相互作用模型中有效半径两倍的距离。3.根据权利要求1所述的一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法，其特征在于：步骤S2中，粒子的法向量采用粒子数密度梯度结合无量纲矩阵的形式进行计算，具体如下：体如下：体如下：其中，n
i
表示粒子i的法向量；B
i
表示粒子i的无量纲矩阵；C
i
表示粒子i的粒子数密度与规则布置粒子数密度比值；n0表示规则布置粒子数密度；r
ij
表示粒子i和粒子j的位移向量；w
ij
表示粒子i和粒子j之间的权函数；表示哈密顿算子。4.根据权利要求1所述的一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法，其特征在于：步骤S3中，自由表面粒子采用环周扫描方法判定，如果粒子i与周围的任何一个邻居粒子j满足公式(2)，则粒子i会被判定为内部粒子；否则，粒子i被判定为自由表面粒子，具体如下：其中，n
i
表示粒子i的法向量；r
i
,r
j
分别表示粒子i和粒子j的位置向量；l0表示粒子规则布置下最小间距。
5.根据权利要求1所述的一种基于粒子与网格相结合的自由表面张力建模方法，其特征在于：步骤S4中，设置网格的level
‑
set函数时，搜索自由表面粒子有效半径范围内的网格，并根据网格与自由表面粒子的法向距离进行设置；若网格N与自由表面粒子Fi的法向距离大于有效半径，且该网格N在气体区域，则网格N的level
‑
set函数值为
‑
1；反之，若网格N与自由表面粒子Fi的法向距离大于有效半径，但该网格N在液体区域，则网格N的level
‑
set函数值为1；若网格N与自由表面粒子Fi的法向距离小于有效半径，则按照d
NFi
/r
e
设置level
‑
set函数，具体如公式(3)所示：其中，φ(r
N
)表示网格N的level
‑
set函数；r
N
表示网格N的位置向量；r
Fi
表示自由表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：李根，廖艳芬，马晓茜，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：