基于GPU并行算法的扩展多面体DEM-SPH流-固耦合数值模拟
发布时间：2021-07-13 06:09
在自然界和工程领域,固体颗粒材料与流体介质之间的耦合作用问题广泛存在。在工业装备领域,对工业设备内部的颗粒材料流-固耦合进行分析,可利于工业设备的结构设计和优化;在自然界领域,对地质灾害等问题的颗粒材料流-固耦合进行分析,可避免安全事故的发生,减少灾害损失。本文采用基于Minkowski Sum方法构造的扩展多面体DEM模拟颗粒材料的力学行为,采用弱可压缩格式的SPH方法模拟流体的动力过程。相比于球体单元,基于Minkowski Sum方法的扩展多面体单元能更加真实形象地描述出泥沙、碎石和碎冰等散体介质的几何形状。SPH法无需引入其他方法处理液体自由表面,且适用于并行计算。在SPH固壁边界处理一般方法中,通常都会采用与粒子有关的粒子边界,这种处理方式并不利于复杂边界的处理,而且增加了计算消耗。本文基于传统的边界排斥力模型,并在此基础上加以改进,提出了新型无粒子边界处理方法,能够提高计算效率,而且适用于复杂边界的处理。基于上述两种数值方法,采用简化边界排斥力模型的界面耦合方式实现了基于扩展多面体的DEM-SPH耦合数值模拟,并且在SPH方法中引入了速度修正项和张力修正项以消除非物理震荡。...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 引言
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 颗粒材料与流体耦合的DEM-CFD方法
1.2.2 颗粒材料与流体耦合的DEM-LBM方法
1.2.3 颗粒材料与流体耦合的DEM-SPH方法
1.3 本文主要工作
2 扩展多面体DEM和 SPH基本理论及GPU并行算法
2.1 基于闵可夫斯基和的扩展多面体DEM方法及其计算模型
2.1.1 基于闵可夫斯基和的扩展多面体单元
2.1.2 扩展多面体接触模型
2.1.3 扩展多面体单元粘结模型
2.2 SPH方法的基本算法
2.2.1 SPH的积分表示法
2.2.2 SPH的粒子近似法
2.2.3 流体控制方程的SPH形式
2.2.4 SPH光滑核函数
2.3 GPU-CUDA并行计算架构
2.3.1 并行方法简述
2.3.2 CUDA硬件架构与编程模式
2.3.3 GPU-CUDA并行计算性能测试
2.4 本章小结
3 SPH-DEM耦合的边界处理方法
3.1 SPH边界处理的一般方法
3.2 耦合边界的改进处理方法
3.3 耦合边界改进处理方法的验证
3.4 本章小结
4 SPH-DEM耦合方法的应用
4.1 溃坝冲击块体的数值模拟
4.2 海底管道落石的数值模拟
4.3 消波块护坡的数值模拟
4.4 本章小结
5 结论与展望
5.1 结论
5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟[J]. 李斌,张尚彬,张磊,滕昭钰,王佑天. 化工学报. 2018(09)
[2]基于CFD与DEM耦合方法的河床变形数值模拟[J]. 雷明,赵涛,周家文,王协康. 泥沙研究. 2018(03)
[3]极区船舶及海洋结构冰荷载的离散元分析[J]. 季顺迎,王帅霖,刘璐. 科技导报. 2017(03)
[4]考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法[J]. 王胤,艾军,杨庆. 岩土力学. 2017(06)
[5]多桩锥体海洋平台结构冰荷载遮蔽效应离散元分析[J]. 王帅霖,狄少丞,季顺迎. 海洋工程. 2016(02)
[6]气固两相流介尺度LBM-DEM模型[J]. 王利民,邱小平,李静海. 计算力学学报. 2015(05)
[7]基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算[J]. 刘璐,龙雪,季顺迎. 力学学报. 2015(06)
[8]基于CFD-DEM耦合并行算法的锥形喷动床内离散颗粒数值模拟[J]. 任立波,韩吉田. 东南大学学报(自然科学版). 2014(05)
[9]零质量射流激励下诱发液体相变及其格子Boltzmann方法模拟[J]. 任晟,张家忠,张亚,苗卫丁. 物理学报. 2014(02)
[10]一种考虑流体状态方程的土体CFD-DEM耦合数值方法[J]. 蒋明镜,张望城. 岩土工程学报. 2014(05)
硕士论文
[1]泥石流动力特性的数值模拟研究[D]. 苟印祥.重庆大学 2012
[2]光滑质点流体动力学（SPH）算法研究[D]. 郑兴.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3281510
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 引言
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 颗粒材料与流体耦合的DEM-CFD方法
1.2.2 颗粒材料与流体耦合的DEM-LBM方法
1.2.3 颗粒材料与流体耦合的DEM-SPH方法
1.3 本文主要工作
2 扩展多面体DEM和 SPH基本理论及GPU并行算法
2.1 基于闵可夫斯基和的扩展多面体DEM方法及其计算模型
2.1.1 基于闵可夫斯基和的扩展多面体单元
2.1.2 扩展多面体接触模型
2.1.3 扩展多面体单元粘结模型
2.2 SPH方法的基本算法
2.2.1 SPH的积分表示法
2.2.2 SPH的粒子近似法
2.2.3 流体控制方程的SPH形式
2.2.4 SPH光滑核函数
2.3 GPU-CUDA并行计算架构
2.3.1 并行方法简述
2.3.2 CUDA硬件架构与编程模式
2.3.3 GPU-CUDA并行计算性能测试
2.4 本章小结
3 SPH-DEM耦合的边界处理方法
3.1 SPH边界处理的一般方法
3.2 耦合边界的改进处理方法
3.3 耦合边界改进处理方法的验证
3.4 本章小结
4 SPH-DEM耦合方法的应用
4.1 溃坝冲击块体的数值模拟
4.2 海底管道落石的数值模拟
4.3 消波块护坡的数值模拟
4.4 本章小结
5 结论与展望
5.1 结论
5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟[J]. 李斌,张尚彬,张磊,滕昭钰,王佑天. 化工学报. 2018(09)
[2]基于CFD与DEM耦合方法的河床变形数值模拟[J]. 雷明,赵涛,周家文,王协康. 泥沙研究. 2018(03)
[3]极区船舶及海洋结构冰荷载的离散元分析[J]. 季顺迎,王帅霖,刘璐. 科技导报. 2017(03)
[4]考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法[J]. 王胤,艾军,杨庆. 岩土力学. 2017(06)
[5]多桩锥体海洋平台结构冰荷载遮蔽效应离散元分析[J]. 王帅霖,狄少丞,季顺迎. 海洋工程. 2016(02)
[6]气固两相流介尺度LBM-DEM模型[J]. 王利民,邱小平,李静海. 计算力学学报. 2015(05)
[7]基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算[J]. 刘璐,龙雪,季顺迎. 力学学报. 2015(06)
[8]基于CFD-DEM耦合并行算法的锥形喷动床内离散颗粒数值模拟[J]. 任立波,韩吉田. 东南大学学报(自然科学版). 2014(05)
[9]零质量射流激励下诱发液体相变及其格子Boltzmann方法模拟[J]. 任晟,张家忠,张亚,苗卫丁. 物理学报. 2014(02)
[10]一种考虑流体状态方程的土体CFD-DEM耦合数值方法[J]. 蒋明镜,张望城. 岩土工程学报. 2014(05)
硕士论文
[1]泥石流动力特性的数值模拟研究[D]. 苟印祥.重庆大学 2012
[2]光滑质点流体动力学（SPH）算法研究[D]. 郑兴.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3281510
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/3281510.html
