基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴变形过程仿真-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 12 (2013) 124702 基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴 变形过程仿真* 邱流潮† ( 中国农业大学应用力学系, 北京 100083 ) ( 2013年1月22 日收到; 2013年2月22 日收到修改稿) 应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH) 法对黏 性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验 证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到 了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进 行了比较. 分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性 液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果. 关键词: 不可压缩光滑粒子动力学, 黏性液滴, 自由面流动, 数值仿真 PACS: 47.11.j, 07.05.Tp, 47.85. g DOI: 10.7498/aps.62.124702 5 了数值模拟, 蒋涛等 基于WCSPH 方法研究了黏 1 引言 6 性液滴形变自由表面问题, 马理强等 应用WC- SPH 方法对液滴冲击液膜问题进行了数值模拟. 光滑粒子动力学 (smoothed particle hydrody- 另一种方法称作不可压缩光滑粒子动力学(ISPH) namics, SPH) 方法最初源于天体物理问题中的星 7 法 . 这种方法直接求解不可压缩N-S 方程, 压力 12 球碰撞计算 . SPH 作为一种纯拉格朗日无网格 通过泊松方程求得. ISPH 法在不可压缩自由面流 粒子方法, 非常适合模拟涉及自由表面、运动界面 动问题的模拟方面已有不少应用, 如Shao 和Lo 8 以及变形边界的复杂流动问题. 当SPH 用于模拟具 采用ISPH 法分析了涉及自由表面的牛顿流体及非 有自由表面的不可压缩流体时, 最常用的方法有两 牛顿流体运动. WCSPH 方法在计算不可压缩流时 种: 一种是弱可压缩光滑粒子动力学(weakly com- 由于时间步长受声速的限制导致计算效率不高, 同 pressible smoothed particle hydrodynamics, WCSPH), 9 这种方法采用人工压缩性来模拟不可压缩流体, 即 时压力计算精度也较低. Lee 等 研究指出ISPH 压力和密度之间采用刚性状态