[发明专利]基于移动粒子半隐式法的轴对称流场二维模拟方法

说明书

基于移动粒子半隐式法的轴对称流场二维模拟方法，步骤如下：1、选择旋转面进行粒子初始布置，且在旋转面两侧布置虚拟旋转粒子，并设定参数；2、选取核函数，计算旋转面初始粒子数密度，并进行规则化处理；3、显式计算粘性项、表面张力项和重力项，预估旋转面粒子临时速度和位置；4、计算虚拟旋转粒子临时速度和位置；5、规则化处理移动后旋转面粒子的粒子数密度，并求解泊松方程来计算旋转面粒子压力；6、计算压力梯度，并修正旋转面粒子速度和位置；7、计算虚拟旋转粒子的速度和位置。本发明可将流场具有旋转轴对称特征的计算区域简化成二维旋转平面进行求解，且在保证准确性的前提下，极大地提高了移动粒子半隐式方法的计算效率。

技术领域

本发明涉及计算流体动力学技术领域，具体涉及一种能极大提高移动粒子半隐式法计算效率的计算方法。

背景技术

在计算流体动力学领域应用最广泛的是基于网格法的数值模拟方法，并且已经成为计算流体力学领域甚至固体力学领域中的主导方法。但传统的网格法在工程中的形变、相变、流固耦合及在复杂多相界面追踪和捕捉问题上存在许多困难和挑战。而粒子法在计算过程中，不需要任何网格参与，避免了所有基于网格法的局限性，并且计算节点之间没有固定的拓扑结构，这就使得无网格法在处理大变形问题时，展现了较网格法不可比拟的优势。这一点填补了网格法在数值模拟领域的巨大空白，使得高速撞击、动态断裂、塑性流动等涉及大变形情况下的数值模拟成为可能。

粒子法计算常采用拉格朗日坐标系和时间推进的描述方式，通过追踪目标粒子的运动轨迹及粒子携带的物理信息来掌握整个物理系统的动态变化信息，所以当参与计算的粒子数增多时，粒子法的计算量将会增大，导致计算效率较低，且随着计算区域的扩大和离散粒子数目的增加，这一情况将更加恶化。对于大规模复杂物理对象，开展全范围高分辨率的三维模拟所需的计算成本极高。目前传统基于网格划分的数值模拟方法开发了较为成熟的二维旋转轴对称模拟方法来近似三维模拟，但对于移动粒子半隐式方法中二维旋转轴对称计算方法还尚未见报道。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于移动粒子半隐式法的轴对称流场二维模拟方法，本发明针对具有旋转轴对称特征的流场，将其三维流场结构简化为二维旋转平面，利用本发明提出的方法进行计算，可以在保证一定精度的前提下，极大的缩减计算时间，从而提高计算效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于移动粒子半隐式法的轴对称流场二维模拟方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、对于流场具有旋转轴对称特征的计算区域，选择一个旋转面作为研究对象；在旋转面内根据流体类别采用不同粒子类型进行离散，并对粒子设置流体的物性参数，包括密度、粘性、表面张力；然后在旋转面粒子的作用半径内设置关于旋转轴的虚拟旋转粒子，虚拟旋转粒子所代表的流体类型和物性参数与对应的旋转面粒子相一致；公式(1)-(9)为将旋转面置于X-Z平面，旋转轴为Z轴时，虚拟旋转粒子的位置、速度和物性参数的设置方式：

ρ_jk＝ρ_j           公式(8)

式中

x_j——旋转面粒子j的X轴方向坐标，m；

y_j——旋转面粒子j的Y轴方向坐标，m；

z_j——旋转面粒子j的Z轴方向坐标，m；