基于GPU并行算法的扩展多面体DEM-SPH流-固耦合数值模拟

论文摘要

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。采用GPU-CUDA并行计算架构提高了计算效率,增加了计算规模,并且分别使用GPU并行程序与CPU串行程序模拟溃坝问题,将二者做了效率上的对比分析。为验证本文所提出的边界处理和耦合方式的有效性,实现了溃坝、方柱绕流和偏心块入水三个工况的数值模拟;与已有的实验和数值结果对比表明,本文结果吻合良好,可以说明本文提出的简化边界力模型准确有效。在验证了本文耦合方法合理有效的基础上,将基于扩展多面体的DEM-SPH耦合方法分别在溃坝冲击块体、海底管道落石和消波块护坡工程实际问题中进行了数值模拟,得到了较好的数值结果。在溃坝冲击多面体模拟分析中与已有的实验和数值结果进行了对比,得到的结果较为理想。

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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

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜庆郁

导师: 季顺迎

关键词: 扩展多面体单元,耦合方法,无粒子边界,流固耦合,并行算法

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,计算机硬件技术

单位: 大连理工大学

分类号: O353.4;TP332

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001184

总页数: 62

文件大小: 2627K

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