[发明专利]一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统

说明书

一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，采用光滑粒子流体动力学的拉格朗日方法，将流体用粒子的形式表示，并把场函数中相应偏微分方程离散为与时间有关的常微分方程，通过集成相应热流耦合计算公式，实现热流耦合场景的瞬态模拟；通过模型构建与粒子化模块、系统算法设置模块、流场计算模块和后处理模块实现；本发明便于与GPU并行运算结合，时间消耗少，热流耦合计算能力强，使用的无网格方法具有便于流体域优化改进、易于弥合连续体和碎片之间差距、避免大变形下网格扭曲等特点，适合应用于流道布局复杂、热流耦合计算量大、具有流体域优化需求的工程问题。

技术领域

本发明涉及热流耦合技术领域，具体涉及一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统。

背景技术

热流耦合问题在工程应用中非常广泛，如用于燃气轮机叶片冷却的内流道设计，核反应堆核心组件冷却设计，以及电子设备阵面的热管理问题等。

在相应工程问题的热流耦合仿真模拟中，欧拉网格法被普遍使用，它通过将流体域划分为网格单元的方式来模拟流体流动，但其在应用中有如下缺点：

1)对于复杂流场，为保证计算精度不得不增加网格数量，因此计算复杂度大大增加，模拟的时间成本相应被提高；

2)对于变化的流体域，欧拉网格法需要重新绘制网格并初始化，增加了前处理量，与拓扑优化结合时由于需要通过不断修改模型结构、改变流体域来找到符合目标函数的最优解，其耦合计算过程相对繁琐；

3)面对大变形，高度非线性问题时其可能产生网格扭曲从而破坏精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，该系统便于与GPU并行运算结合，时间消耗少，热流耦合计算能力强，其使用的无网格方法具有便于流体域优化改进、易于弥合连续体和碎片之间差距、避免大变形下网格扭曲等特点，适合应用于流道布局复杂、热流耦合计算量大、具有流体域优化需求的工程问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，采用光滑粒子流体动力学的拉格朗日方法，将流体用粒子的形式表示，并把场函数中相应偏微分方程离散为与时间有关的常微分方程，通过集成相应热流耦合计算公式，实现热流耦合场景的瞬态模拟；包括：模型构建与粒子化模块、系统算法设置模块、流场计算模块和后处理模块；

模型构建与粒子化模块：将流固特征导入并建立相应模型，同时将液体和部分固体离散成粒子，包括模型特征导入、模型搭建、粒子参数设置；

系统算法设置模块：包括计算模式选择、全局参数设置和计算算法设置；计算模式选择包括CPU计算和GPU计算；全局参数设置包括迭代参数设置和流固物性参数设置，迭代参数设置包括：时间步长选取、仿真总时间设定；流固物性参数包括流体固体的动力学参数和流体固体的热力学参数，参数由实际工况条件确定；计算算法设置明确了控制方程的求解格式及相关引入项，其包括：核函数设置、约束修正形式设置、时间积分形式设置、人工粘性设置、微观尺度力设置、热力学计算设置、动力学边界条件设置、热力学边界条件设置和环境变量设置；

流场计算模块：通过对流体控制方程求解，迭代计算每一时刻流场各物理参数的模拟结果；流场计算模块包括参数导入、流场动力学计算、流场温度分布计算和循环迭代过程；

后处理模块：对流场计算模块所得的各时刻粒子位置、速度、温度数据进行可视化处理，形成实时动态分布图，以直观的方式展示在给定工况下包括流动冲击飞溅等效果在内的流体运动过程和受热或冷却的温度变化过程。