[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于粒子方法的通用光滑邊界建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011521703.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112765867B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫一頡;孫中國(guó);席光
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/25
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/25
• 代理公司: 西安通大專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于粒子方法的通用光滑邊界建模方法，包括：步驟1，創(chuàng)建計(jì)算域并進(jìn)行粒子初始化設(shè)置；步驟2，定義邊界類(lèi)型，計(jì)算邊界法向量；步驟3，求解流體粒子到邊界距離，計(jì)算邊界補(bǔ)償粒子數(shù)密度；步驟4，求解控制方程，計(jì)算邊界對(duì)流體粒子作用力，更新流體粒子的壓力、速度、位移。步驟5，輸出數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果。本發(fā)明中的粒子邊界模型僅需要一層邊界粒子，且邊界粒子不參與流體計(jì)算，僅提供邊界的位置信息，避免了大尺度計(jì)算時(shí)邊界粒子數(shù)量明顯增加的問(wèn)題，縮短了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率，并減小了復(fù)雜幾何邊界粒子布置的難度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于粒子方法的通用光滑邊界建模方法。

背景技術(shù)

粒子法基于拉格朗日思想，將計(jì)算域離散為粒子，不需要網(wǎng)格參與，避免了 傳統(tǒng)網(wǎng)格法在模擬大變形問(wèn)題時(shí)網(wǎng)格畸變等問(wèn)題，最常用的粒子方法有光滑流體 動(dòng)力學(xué)法和移動(dòng)粒子半隱式方法等。在粒子法中，邊界粒子與流體粒子往往性質(zhì) 不同，兩者耦合計(jì)算的精度會(huì)影響到整個(gè)數(shù)值模擬的穩(wěn)定性。目前已有的粒子法 邊界模型有虛擬粒子方法、鏡像方法、排斥力方法、統(tǒng)一半解析法和多邊形邊界 法。虛擬粒子法采用多層粒子代替邊界，當(dāng)計(jì)算規(guī)模增加時(shí)，邊界粒子數(shù)占總粒 子數(shù)的比例大幅增加，影響計(jì)算效率；鏡像粒子法通過(guò)鏡像流體粒子來(lái)模擬邊界， 對(duì)于復(fù)雜幾何邊界鏡像方法實(shí)施困難；在排斥力法中，邊界粒子對(duì)流體粒子產(chǎn)生 一定的作用力，這種方法簡(jiǎn)單易實(shí)施，但作用力大小不準(zhǔn)確，影響計(jì)算精度；統(tǒng) 一半解析法計(jì)算精度高，但數(shù)學(xué)處理復(fù)雜；多邊形邊界法則需要依賴(lài)邊界多邊形 背景網(wǎng)格。綜上，粒子法邊界模型在穩(wěn)定性和精度方面仍有較大發(fā)展空間，尤其 是針對(duì)多分辨率粒子法，當(dāng)多個(gè)尺寸的流體粒子同時(shí)參與計(jì)算時(shí)，流體粒子與邊 界粒子的相互耦合作用更加復(fù)雜，對(duì)邊界模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定性要求更高，而 上述的邊界模型均未涉及到多尺度粒子計(jì)算。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供一種基于粒子方法的通用光 滑邊界建模方法，該方法僅需一層邊界粒子，邊界粒子不參與計(jì)算；邊界粒子與 流體粒子的相互作用僅與流體粒子到邊界的距離有關(guān)，與流體粒子尺寸及粒子影 響域大小無(wú)關(guān)，與邊界粒子的尺寸大小也無(wú)關(guān)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于粒子方法的通用光滑邊界建模方法，包括以下步驟：

步驟1，創(chuàng)建計(jì)算域并進(jìn)行粒子初始化設(shè)置；

步驟2，定義邊界類(lèi)型，計(jì)算邊界法向量；

步驟3，求解流體粒子到邊界距離，計(jì)算邊界補(bǔ)償粒子數(shù)密度；

步驟4，求解控制方程，計(jì)算邊界對(duì)流體粒子作用力，更新流體粒子的壓力、 速度、位移。

步驟5，輸出數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述步驟2根據(jù)邊界在計(jì)算中是否發(fā)生移動(dòng)、變形，將邊界分為固定和移動(dòng) 兩個(gè)類(lèi)型，移動(dòng)邊界的法向量會(huì)在計(jì)算中改變；邊界法向量的計(jì)算方法：通過(guò)搜 索邊界粒子鄰近粒子，求得邊界切向量，由邊界切向量得到法向量大小，確定法 向量方向，邊界法向量方向始終指向流體內(nèi)部，具體公式如下：

n_x＝(y₁-y₂)/r

n_y＝-(x₁-x₂)/r

其中，n_x,n_y為法向量分量；x₁,y₁,x₂,y₂為邊界粒子鄰近粒子坐標(biāo)。

所述步驟2中還需劃分不同邊界拐角類(lèi)型，分別為平面邊界，凹角邊界和凸 角邊界，不同拐角類(lèi)型的粒子作用關(guān)系和邊界補(bǔ)償粒子數(shù)密度不同。