SPH方法与LBM方法在溃坝水流模拟中的对比研究

发布时间：2024-05-14 22:50

　　光滑粒子流体动力学(SPH)和格子玻尔兹曼方法(LBM)作为两种新兴的数值模拟手段,均能精确地捕捉带有自由面剧烈变形的流体问题。SPH法和LBM法分别被应用于模拟二维溃坝、三维溃坝水流碰撞固定障碍物以及可运动障碍物,并与试验监测数据对比分析得出,SPH方法得到的自由面更加光滑、清晰,但会有个别粒子附着在壁面,压力值预测会出现波动,说明对于动量方程的黏性项和固壁边界条件需要进一步改善,与离散单元法(DEM)耦合能够准确模拟可运动障碍物的位移;LBM方法得到的自由面在大变形处较为凌乱、破碎,对于水位、压力的预测比较准确,但是对于刚体运动的模拟还需加强。此外,还对比了两种方法的计算效率,在相同CPU的条件下,LBM计算效率高于SPH方法,GPU并行能够极大缩短计算时间。

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【部分图文】：

图1二维溃坝模型立视图(单位:m)

如图1所示,上游水体长L=1m,高H=2m,总计算域大小为长4m×高3m,求解尺度为0.01m,计算时间为2s。所有壁面均采用无滑移边界条件。在SPH中,水体粒子数为20000。初始状态水体由挡板阻隔,处于静止状态,开始计算时,挡板被瞬间提起,水体在自身重力的作用下....

图2溃坝水流波前位置对比

图3展示了各时刻溃坝水流的自由面形状数值模拟结果,即使经历了坍塌、碰撞、翻卷、入水等过程,两种方法均能捕捉到自由面的剧烈变形情况。在t=0.5s时刻,对于溃坝水流前缘的模拟LBM结果显得比较凌乱,而SPH结果的自由表面相对光滑,但由于SPH的固壁边界处理不够完善,在边界处产生极....

图3各时刻下自由液面形状

图2溃坝水流波前位置对比2.2溃坝水流碰撞固定障碍物

图4溃坝水流碰撞固定障碍物模型布置图(单位:m)

在实际工程中,往往由于复杂的地形特征需要考虑三维特性,在此开展了三维溃坝水体与下游方形结构物碰撞模拟,如图4所示。总计算域为3.22m×1.0m×1.0m,上游水体为1.228m×1.0m×0.55m。求解尺度为0.01m,计算时间为6s,其余设置与上述案例相同。....

本文编号：3973530