CN113761779B - 一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法、系统及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法、系统及装置，通过计算得到基于三维圆环的进口边界在充分发展的条件下的速度分布，根据在进口区域的流体粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值，进口区域的多层流体粒子可保证进口流动的连续性且有效的避免回流。基于移动虚拟壁面的出流压力边界条件符合流体粒子动态特性，可持续稳定的提供出口压力；移动虚拟壁面与出口区域的流体粒子一一对应，且根据流体粒子的速度施加不同压力，使得整体出口粒子排布更加均匀，出口压力更加稳定。

Description

一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法、系统及装置
技术领域
本发明属于流体力学领域，涉及一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法、系统及装置。
背景技术
流体机械内流数值模拟是现代流体机械设计中的关键一环，是样机验证前评估与修正设计性能的核心手段，是研发设计领域的学术前沿和工业难点。无网格粒子法如移动粒子半隐式法和光滑粒子流体动力学法，采用粒子离散流场，不需要固定的拓扑结构，适用于模拟存在大变形的流动如流体机械内部流动。然而，目前粒子法大多应用于有限空间内的流动模拟，如齿轮箱、减速器内的油液流动或液环泵内自由液面的形成等，对于存在开放边界的流体机械如离心泵的研究仍然较少；建立一套可稳定、准确的预测升压过程的无网格法开放边界系统是粒子法应用于该类流体机械内流模拟的难点之一，目前针对开放边界的研究大多通过设置缓冲粒子来消除核截断，通过直接赋值或从内部流体粒子外推来确定进出口参数如速度、压力，但固定的缓冲粒子容易影响流动的连续性，从而附加额外的压力振荡；虚节点法或镜像粒子法根据流动情况确定加载节点或镜像粒子的位置，对开放边界附近流体粒子的均匀性要求较高；统一半解析边界法可在进出口提供稳定且准确的压力或速度，但该种方法数值计算复杂，目前仍大多应用于二维计算。由此，建立一种能准确稳定的计算流体机械内部压力变化过程的进出口系统有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法、系统及装置，该方法的进口边界基于三维圆环，出口边界基于移动虚拟壁面，通过计算得到基于三维圆环的进口边界在充分发展的条件下的速度分布，根据在进口区域的流体粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值，并消除在出口区域的流体粒子的非主流动方向速度分量、计算接触模型参数和施加移动虚拟壁面压力，增大出口区域的移动虚拟壁面对流体粒子的压力。通过构造进、出口区域来固定速度、稳定压力。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法，包括：
S1：对出口参数、进口参数、流体粒子参数和变量进行初始化设置，划分出口区域和进口区域，计算得到进口区域的速度分布；
S2：判断流体粒子是否在出口区域，若是，对出口区域内流体粒子进行处理，提升出口区域流体粒子的压力；若否，执行S4；
S3：判断流体粒子是否越过边界；若是，对越过出口区域边界的流体粒子进行删除，更新粒子序号；若否，执行S6；
S4：判断粒子是否在进口区域；若是，根据流体粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值；若否，执行S6；
S5：判断进口单元格是否为空，若是，添加进口区域的流体粒子到空单元格中，更新粒子序号；若否，执行S6；
S6：判断是否所有的流体粒子都进行遍历，若是，执行S7；否则，粒子序号递增，重复S2、S3、S4和S5；
S7：输出流体粒子的位置和速度数据。
本发明的进一步改进在于：
出口参数包括出口压力系数、缓冲系数、出口区域长度和出流截面位置；进口参数包括进口平均速度、进口区域长度和入流界面位置；流体粒子参数包括流体粒子的粘度、密度和核函数作用半径；变量包括速度、压力和时间；出口区域的长度大于核函数作用半径，进口区域长度大于核函数作用半径。
计算得到进口区域的速度分布具体为：
其中，r为进口圆环半径；R为圆管半径；uaver为进口平均速度。
对出口区域内流体粒子进行处理包括：消除出口区域内流体粒子非主流动方向速度分量、计算接触模型参数和施加移动虚拟壁面压力。
接触模型由弹簧和阻尼器组成，在壁面法向和切向两个方位各有一个弹簧和阻尼器；当近壁面流体粒子即将穿透壁面时，壁面通过接触模型向该类流体粒子施加斥力，防止其穿透，虚拟壁面作用力如公式(2)所示：
其中fiv为虚拟壁面作用力；上标n和t表示法向和切向；k、ζ和μ为弹簧、阻尼以及摩擦系数；壁面接触力通过隐式修正时的压力梯度力附加到出口区域流体粒子，如公式(3)所示：
其中，为对出口粒子i附加的压力梯度；nim为主流方向向量。
S3中更新粒子序号为当删除越过出口区域边界的流体粒子时，被删除的流体粒子的序号空缺，后面的粒子序号会进行更新。
S5中更新粒子序号为进口区域中的流体粒子添加到空单元格，添加的流体粒子使得原单元格中流体粒子的序号增大。
一种基于无网格粒子法的开放边界处理系统，包括：
初始设置模块，所述初始设置模块用于对出口参数、进口参数、流体粒子参数和变量进行初始化设置，划分出口区域和进口区域，计算得到进口区域的速度分布；
第一判断模块，所述第一判断模块用于判断流体粒子是否在出口区域，若是，对出口区域内流体粒子进行处理，提升出口区域流体粒子的压力；
第二判断模块，所述第二判断模块用于判断流体粒子是否越过边界；若是，对越过出口区域边界的流体粒子进行删除，更新粒子序号；
第三判断模块，所述第三判断模块用于判断粒子是否在进口区域；若是，根据粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值；
第四判断模块，所述第四判断模块用于判断进口单元格是否为空，若是，添加进口区域的流体粒子到空单元格中，更新粒子序号；
第五判断模块，所述第五判断模块用于判断是否所有的流体粒子都进行遍历，若否，粒子序号递增；
输出模块，所述输出模块用于输出流体粒子的位置和速度数据。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法、系统及装置，通过计算得到基于三维圆环的进口边界在充分发展的条件下的速度分布，根据在进口区域的流体粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值，进口区域的多层流体粒子可保证进口流动的连续性且有效的避免回流。基于移动虚拟壁面的出流压力边界条件符合流体粒子动态特性，可持续稳定的提供出口压力；移动虚拟壁面与出口区域的流体粒子一一对应，且根据流体粒子的速度施加不同压力，使得整体出口粒子排布更加均匀，出口压力更加稳定。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于无网格粒子法的开放边界处理方法的流程示意图；
图2为本发明的开放边界原理示意图；
图3为本发明的三维进口圆环示意图；
图4为本发明的离心泵计算进出口压力波动图；
图5为本发明的基于无网格粒子法的开放边界处理系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1公开了一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法，包括：
步骤1，如图2所示，确定进口单元、入流判断线、出流判断线位置以及出口区域长度；确定进口平均速度、出口压力系数和缓冲系数；给定流体物性参数；将速度、压力、时间等变量置0，粒子计数器置1；充分发展条件下的进口速度分布为
其中，r为进口圆环半径；R为圆管半径；uaver为进口平均速度。当流体粒子充满时，得到第一层各个进口圆环内的粒子数并记录此时粒子位置。
步骤2，判断i粒子是否在出口区域，若是，消除其非主流方向的速度分量；出口粒子用于为流体域内流体粒子提供压力，非主流方向的速度的存在会导致出口粒子在虚拟壁面的作用下运动无序，从而导致流体域内的流体粒子受到的压力不连续、不准确；计算接触模型参数，施加移动虚拟壁面压力；通过对出口粒子施加背压，使出口粒子速度减小，从而对流体粒子产生“阻塞”作用，使得整体流体域压力提升，实现出口压力边界条件的功能。
接触模型由弹簧和阻尼器组成，在壁面法向和切向两个方位各有一个弹簧和阻尼器；当近壁面流体粒子即将穿透壁面时，壁面通过接触模型向该类流体粒子施加斥力，防止其穿透；弹簧系统用于提供排斥力，阻尼系统持续衰减被弹开流体粒子的速度，防止被弹开的粒子产生过大的速度而对压力场施加非物理振荡；虚拟壁面作用力如公式(2)所示：
其中fiv为虚拟壁面作用力；上标n、t表示法向与切向；k、ζ和μ为弹簧、阻尼以及摩擦系数；壁面接触力通过隐式修正时的压力梯度力附加到出口区域流体粒子，如公式(3)所示：
其中，为对出口粒子i附加的压力梯度；nim为主流方向向量。
根据公式(2)计算壁面接触力；依据公式(3)计算附加压力梯度，在计算修正速度时附加该压力梯度数值：本例出口压力系数为1×10-4，设置出口压力为81000Pa。
步骤3，判断i粒子是否在进口区域，若是，根据该粒子到轴线的距离r以及式(1)计算其对应速度，并将该粒子速度值固定为计算值，如图3所示，之后该流体粒子随着时间推进，进入速度固定区域并推动流体域内粒子流动；本例进口平均速度为0.46356m/s；
步骤4，计算第一层各个进口圆环内的粒子数，并与充满时的对比，若某一圆环内粒子数为0，则在该圆环内新增流体粒子，其余粒子序号后移：若计数器i遍历完所有流体粒子，则进入下一个时间步，否则计数器序号递增，重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4。
步骤5，从图4可知，本发明方法计算出的出口压力稳定，符合设定值，出口压力变化符合离心泵非定常压力变化规律：进口压力单调下降，并未出现回流等现象。
参见图5，图5公布了一种基于无网格粒子法的开放边界处理系统，包括：
初始设置模块，所述初始设置模块用于对出口参数、进口参数、流体粒子参数和变量进行初始化设置，划分出口区域和进口区域，计算得到进口区域的速度分布；
第一判断模块，所述第一判断模块用于判断流体粒子是否在出口区域，若是，对出口区域内流体粒子进行处理，提升出口区域流体粒子的压力；
第二判断模块，所述第二判断模块用于判断流体粒子是否越过边界；若是，对越过出口区域边界的流体粒子进行删除，更新粒子序号；
第三判断模块，所述第三判断模块用于判断粒子是否在进口区域；若是，根据粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值；
第四判断模块，所述第四判断模块用于判断进口单元格是否为空，若是，添加进口区域的流体粒子到空单元格中，更新粒子序号；
第五判断模块，所述第五判断模块用于判断是否所有的流体粒子都进行遍历，若否，粒子序号递增；
输出模块，所述输出模块用于输出流体粒子的位置和速度数据。
本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无网格粒子法的开放边界处理方法，其特征在于，包括：
S1：对出口参数、进口参数、流体粒子参数和变量进行初始化设置，划分出口区域和进口区域，计算得到进口区域的速度分布；
出口参数包括出口压力系数、缓冲系数、出口区域长度和出流截面位置；进口参数包括进口平均速度、进口区域长度和入流界面位置；流体粒子参数包括流体粒子的粘度、密度和核函数作用半径；变量包括速度、压力和时间；出口区域的长度大于核函数作用半径，进口区域长度大于核函数作用半径；
计算得到进口区域的速度分布具体为：
其中，r为进口圆环半径；R为圆管半径；uaver为进口平均速度；
对出口区域内流体粒子进行处理包括：消除出口区域内流体粒子非主流动方向速度分量、计算接触模型参数和施加移动虚拟壁面压力；
接触模型由弹簧和阻尼器组成，在壁面法向和切向两个方位各有一个弹簧和阻尼器；当近壁面流体粒子即将穿透壁面时，壁面通过接触模型向该类流体粒子施加斥力，防止其穿透，虚拟壁面作用力如公式(2)所示：
其中fiv为虚拟壁面作用力；上标n和t表示法向和切向；k、ζ和μ为弹簧、阻尼以及摩擦系数；壁面接触力通过隐式修正时的压力梯度力附加到出口区域流体粒子，如公式(3)所示：
其中，为对出口粒子i附加的压力梯度；nim为主流方向向量；
S2：判断流体粒子是否在出口区域，若是，对出口区域内流体粒子进行处理，提升出口区域流体粒子的压力；若否，执行S4；
S3：判断流体粒子是否越过边界；若是，对越过出口区域边界的流体粒子进行删除，更新粒子序号；若否，执行S6；
S4：判断粒子是否在进口区域；若是，根据流体粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值；若否，执行S6；
S5：判断进口单元格是否为空，若是，添加进口区域的流体粒子到空单元格中，更新粒子序号；若否，执行S6；
S6：判断是否所有的流体粒子都进行遍历，若是，执行S7；否则，粒子序号递增，重复S2、S3、S4和S5；
S7：输出流体粒子的位置和速度数据。
2.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的开放边界处理方法，其特征在于，所述出口参数包括出口压力系数、缓冲系数、出口区域长度和出流截面位置；进口参数包括进口平均速度、进口区域长度和入流界面位置；流体粒子参数包括流体粒子的粘度、密度和核函数作用半径；变量包括速度、压力和时间；出口区域的长度大于核函数作用半径，进口区域长度大于核函数作用半径。
3.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的开放边界处理方法，其特征在于，所述计算得到进口区域的速度分布具体为：
其中，r为进口圆环半径；R为圆管半径；uaver为进口平均速度。
4.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的开放边界处理方法，其特征在于，对出口区域内流体粒子进行处理包括：消除出口区域内流体粒子非主流动方向速度分量、计算接触模型参数和施加移动虚拟壁面压力。
5.根据权利要求4所述的基于无网格粒子法的开放边界处理方法，其特征在于，所述接触模型由弹簧和阻尼器组成，在壁面法向和切向两个方位各有一个弹簧和阻尼器；当近壁面流体粒子即将穿透壁面时，壁面通过接触模型向该类流体粒子施加斥力，防止其穿透，虚拟壁面作用力如公式(2)所示：
其中fiv为虚拟壁面作用力；上标n和t表示法向和切向；k、ζ和μ为弹簧、阻尼以及摩擦系数；壁面接触力通过隐式修正时的压力梯度力附加到出口区域流体粒子，如公式(3)所示：
其中，为对出口粒子i附加的压力梯度；nim为主流方向向量。
6.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的开放边界处理方法，其特征在于，所述S3中更新粒子序号为当删除越过出口区域边界的流体粒子时，被删除的流体粒子的序号空缺，后面的粒子序号会进行更新。
7.根据权利要求1所述的基于无网格粒子法的开放边界处理方法，其特征在于，所述S5中更新粒子序号为进口区域中的流体粒子添加到空单元格，添加的流体粒子使得原单元格中流体粒子的序号增大。
8.一种使用权利要求1-7任一项所述方法的基于无网格粒子法的开放边界处理系统，其特征在于，包括：
初始设置模块，所述初始设置模块用于对出口参数、进口参数、流体粒子参数和变量进行初始化设置，划分出口区域和进口区域，计算得到进口区域的速度分布；
第一判断模块，所述第一判断模块用于判断流体粒子是否在出口区域，若是，对出口区域内流体粒子进行处理，提升出口区域流体粒子的压力；
第二判断模块，所述第二判断模块用于判断流体粒子是否越过边界；若是，对越过出口区域边界的流体粒子进行删除，更新粒子序号；
第三判断模块，所述第三判断模块用于判断粒子是否在进口区域；若是，根据粒子到轴线的距离，获取流体粒子的速度值；
第四判断模块，所述第四判断模块用于判断进口单元格是否为空，若是，添加进口区域的流体粒子到空单元格中，更新粒子序号；
第五判断模块，所述第五判断模块用于判断是否所有的流体粒子都进行遍历，若否，粒子序号递增；
输出模块，所述输出模块用于输出流体粒子的位置和速度数据。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
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光滑粒子水动力学在水利与海洋工程中的应用研究进展;林鹏智;刘鑫;;水利水电科技进展;20150905(第05期);全文 *
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