基于SPH的水体流动模拟技术研究

论文摘要

目前,随着流体仿真技术的发展,对流体仿真实时性的要求越来越高;例如,用于煤层气开采的水力压裂方法需要研究水体和管道之间的相互作用,所以水流的高效率、高实时性模拟对研究水力压裂方案参考意义重大。拉格朗日方法中的平滑粒子流体动力学(SPH)方法仍是用来模拟水流现象的常用方法,其基本思想是将水流看做由一系列粒子组成。整个模拟流程包括流体粒子初始化、流体粒子的受力分析、流体粒子与固壁交互、更新粒子速度和位置等过程。而粒子受力是受其相邻粒子(光滑核半径)中粒子影响的,相邻粒子搜索占用了流体模拟的大部分时间;再者,在流体与固壁交互过程中,固壁边界处粒子处理的好坏直接影响流体模拟的真实性。针对在水流模拟中邻域搜索算法对水流模拟效率的影响,在原有临近粒子搜索算法的基础上,为提高邻近粒子搜索速度,将结合GPU的并行操作能力和多维树搜索算法优点的多维树搜索算法应用在水流模拟中,使整个算法在GPU上进行;通过实验证明本算法无论在临近粒子的搜索时间和搜索效率上可以很大程度的提高临近粒子的搜索效率,搜索时间上相比较基于CPU的多维树搜索算法执行速度快了5~6倍,达到了水流模拟的高效率。尤其是在粒子数目较多时效果更明显。针对水流模拟实时性不高的情况,在SPH水流模拟过程中的粒子与固壁碰撞部分,利用原有的镜像粒子边界处理算法提出了一种改进的固壁边界处理算法,同样通过实验证明算法可以有效的防止粒子穿透固壁边界,相较于不使用边界处理以及使用传统的边界处理方法,本算法模拟实时性更高,水流模拟的效果更佳。通过上述两个系统改进方案,在设置水流模拟的环境及平台后,通过设置流体的初始密度、固壁边界粒子数目、流体粒子数目等参数,在一定的时间步长内可以可以进行水流涌入容器的高效逼真模拟,模拟效果在相同条件下可以达到实时性、高效性。为水力压裂煤气开采技术提供了良好的基础。

论文目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水体流动虚拟仿真技术研究现状

1.2.2 水体固壁碰撞技术研究现状

1.3 论文结构及主要研究内容

2 水体流动实时可视化技术

2.1 流体可视化方法选择

2.2 SPH解析步骤

2.3 流体可视化理论基础

2.3.1 SPH函数积分法

2.3.2 SPH粒子近似法

2.3.3 Navier-Stokers方程与其粒子化

2.3.3.1 密度的粒子近似

2.3.3.2 动量的粒子近似

2.3.3.3 能量的粒子近似

2.4 本章小结

3 邻近粒子搜索法

3.1 水流模拟光滑核函数构造

3.1.1 常见的光滑核函数

3.1.2 构建水流模拟光滑核函数

3.2 邻近粒子搜索法

3.2.1 邻域相关搜索法

3.2.2 直接搜索法

3.2.3 链表搜索法

3.2.4 树形搜索法

3.2.5 基于GPU的多维树搜索法

3.3 算法测试及分析

3.3.1 搜索准确率

3.3.2 搜索时间

3.4 本章小结

4 改进的固液边界处理方法

4.1 几种常见的固液边界处理方法

4.1.1 虚拟力法

4.1.2 静态粒子法

4.1.3 镜像粒子法

4.2 改进的固液边界处理方法

4.3 算法对比分析

4.4 本章小结

5 基于GPU的水体流动模拟

5.1 试验环境介绍

5.2 基于GPU的流体模拟发展

5.3 系统设计

5.4 流体的受力分析

5.4.1 压力项

5.4.2 粘滞力

5.4.3 重力项

5.4.4 表面张力

5.4.5 浮力

5.5 粒子的碰撞检测

5.6 粒子位置的更新

5.7 实验结果及分析

5.7.1 与基于CPU的多维树搜索算法对比

5.7.2 与基于GPU的链表搜索算法对比

5.8 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 叶静然

导师: 梁志剑

关键词: 流体模拟,临近粒子,多维树搜索算法,边界处理,图形处理

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 中北大学

分类号: O35

总页数: 73

文件大小: 3768K

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