CN113947003A - 一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统 - Google Patents
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Abstract
一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，采用光滑粒子流体动力学的拉格朗日方法，将流体用粒子的形式表示，并把场函数中相应偏微分方程离散为与时间有关的常微分方程，通过集成相应热流耦合计算公式，实现热流耦合场景的瞬态模拟；通过模型构建与粒子化模块、系统算法设置模块、流场计算模块和后处理模块实现；本发明便于与GPU并行运算结合，时间消耗少，热流耦合计算能力强，使用的无网格方法具有便于流体域优化改进、易于弥合连续体和碎片之间差距、避免大变形下网格扭曲等特点，适合应用于流道布局复杂、热流耦合计算量大、具有流体域优化需求的工程问题。
Description
技术领域
本发明涉及热流耦合技术领域，具体涉及一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统。
背景技术
热流耦合问题在工程应用中非常广泛，如用于燃气轮机叶片冷却的内流道设计，核反应堆核心组件冷却设计，以及电子设备阵面的热管理问题等。
在相应工程问题的热流耦合仿真模拟中，欧拉网格法被普遍使用，它通过将流体域划分为网格单元的方式来模拟流体流动，但其在应用中有如下缺点：
1)对于复杂流场，为保证计算精度不得不增加网格数量，因此计算复杂度大大增加，模拟的时间成本相应被提高；
2)对于变化的流体域，欧拉网格法需要重新绘制网格并初始化，增加了前处理量，与拓扑优化结合时由于需要通过不断修改模型结构、改变流体域来找到符合目标函数的最优解，其耦合计算过程相对繁琐；
3)面对大变形，高度非线性问题时其可能产生网格扭曲从而破坏精度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，该系统便于与GPU并行运算结合，时间消耗少，热流耦合计算能力强，其使用的无网格方法具有便于流体域优化改进、易于弥合连续体和碎片之间差距、避免大变形下网格扭曲等特点，适合应用于流道布局复杂、热流耦合计算量大、具有流体域优化需求的工程问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，采用光滑粒子流体动力学的拉格朗日方法，将流体用粒子的形式表示，并把场函数中相应偏微分方程离散为与时间有关的常微分方程，通过集成相应热流耦合计算公式，实现热流耦合场景的瞬态模拟；包括：模型构建与粒子化模块、系统算法设置模块、流场计算模块和后处理模块；
模型构建与粒子化模块：将流固特征导入并建立相应模型，同时将液体和部分固体离散成粒子，包括模型特征导入、模型搭建、粒子参数设置；
系统算法设置模块：包括计算模式选择、全局参数设置和计算算法设置；计算模式选择包括CPU计算和GPU计算；全局参数设置包括迭代参数设置和流固物性参数设置，迭代参数设置包括：时间步长选取、仿真总时间设定；流固物性参数包括流体固体的动力学参数和流体固体的热力学参数，参数由实际工况条件确定；计算算法设置明确了控制方程的求解格式及相关引入项，其包括：核函数设置、约束修正形式设置、时间积分形式设置、人工粘性设置、微观尺度力设置、热力学计算设置、动力学边界条件设置、热力学边界条件设置和环境变量设置；
流场计算模块：通过对流体控制方程求解，迭代计算每一时刻流场各物理参数的模拟结果；流场计算模块包括参数导入、流场动力学计算、流场温度分布计算和循环迭代过程；
后处理模块：对流场计算模块所得的各时刻粒子位置、速度、温度数据进行可视化处理，形成实时动态分布图，以直观的方式展示在给定工况下包括流动冲击飞溅等效果在内的流体运动过程和受热或冷却的温度变化过程。
所述的模型构建与粒子化模块中模型特征导入为导入流固几何特征并确定相应参数，包括固体的位置形状和流体域范围等，并以坐标形式呈现；模型搭建即根据导入特征构建或表示导入的固体和流体，其中决定流体域的固体根据实际情况选择固体粒子搭建或是三角面片网格搭建，而流体则用流体粒子搭建；粒子参数设置为赋予粒子以物理参数，包括粒子位置、速度、温度。
所述的系统算法设置模块中核函数设置包括两种核函数形式：三次样条插值函数，五阶Wendland函数；
约束修正设置根据给定的约束条件及时修正物体位置，约束条件包括体积约束、密度约束、表面张力约束；
时间积分形式设置规定了每个循环步中物理量更新的迭代格式，选择的算法为：Verlet算法或Symplectic算法；
引入人工粘性设置来对流体粒子的相对运动产生阻尼作用，并体现在动量守恒方程中；
引入三种微观尺度力，包括内聚力、表面张力和附着力；通过调节附着力系数改变液体附着在固体表面的牢固程度，附着力系数需人为输入到模块中；
热力学计算设置采用基于傅里叶导热定律的离散化热传导方程来求解温度场，涉及恒温恒流绝热三种边界条件，经修正后计算域内的任意粒子a在某时刻的温度求解满足式
其中b为a粒子周边光滑半径内粒子，rab为粒子a与粒子b距离，ka和kb为粒子a与b的导热率，不同物质导热率不同，cp,a为压强p下a粒子比热容；
动力学边界条件设置采用边界力法或边界动量法；
所述热学边界条件包括温度恒定边界条件、热流恒定边界条件和绝热边界条件，根据实际需要进行选择；
所述的环境变量设置包括重力和周期性摇晃力，其中模拟水平面的流动时不引入重力，模拟涉及竖直方向流体流动时引入重力；在波浪仿真时添加周期性摇晃力以实现液体波动效果。
所述的流场计算模块的执行步骤为：读入模型搭建与粒子化模块的仿真模型后，在每个循环迭代时间步内，计算器根据流体域，动力学边界条件、流体物性参数和环境变量参数的输入量利用光滑粒子流体动力学原理对流动控制方程求解得到相应流场内粒子动力学参数，进而获得流体流动状态；其中控制方程包括质量方程、动量方程，粒子动力学参数包括粒子的位置与速度；
在已知粒子位置情况下，根据热学边界条件，求解热传导方程，更新所有粒子的温度值，获得相应时刻流体温度场分布；
所有粒子计算完成后保存相应物理参数数据；
按照时间积分格式更新时间步并计算下一时刻流体域内粒子位置分布、速度分布和温度分布，得到更新后的各粒子相应物理参数；
重复迭代循环计算直至设定的仿真时间结束。
所述的后处理模块的执行步骤如下：读入计算模块得到的具有所有粒子各时刻位置速度和温度的物理量信息的文件，使用开源、跨平台数据分析和可视化软件对数据进行可视化，得到每个时间步粒子位置、速度和温度分布图，其中各粒子的位置将以xyz直角坐标的形式被确定，粒子的速度温度信息将用连续变化的色谱来直观地展现；使用各时间步的流体粒子位置、速度和温度分布图生成能模拟整个流动和传热过程的效果动画。
本发明的有益效果是：
本发明热流耦合仿真系统可实现并行运算，其时间消耗少，耦合计算能力强；
本发明采用了无网格方法，因此便于流体域优化改进，易于弥合连续体和碎片之间差距，避免了大变形下的网格扭曲，适合解决流道布局复杂、热流耦合计算量大的工程问题；
本发明基于粒子位置信息添加了热传导方程求解，使得本发明可以解决部分热流耦合问题；
本发明引入人工粘性和三种微观力，使得流动仿真效果更加逼真；
本发明基于约束函数对粒子位置直接修正，而非以作用力的形式进行修正，避免了穿模可能。
附图说明
图1是本发明系统示意图。
图2是本发明实施例物理模型初始状态图。
图3是本发明实施例某时刻流体速度分布图。
图4是本发明实施例某时刻温度分布图。
具体实施方式
为了使本发明技术方案更加清晰，下面结合附图说明和实施例对本发明实作进一步详细说明，下面以高温落球入水传热模拟为例介绍本发明。
参照图1，一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，采用光滑粒子流体动力学的拉格朗日方法，将流体用粒子的形式表示，并把场函数中相应偏微分方程离散为与时间有关的常微分方程，通过集成相应热流耦合计算公式，实现热流耦合场景的瞬态模拟；包括：模型构建与粒子化模块、系统算法设置模块、流场计算模块和后处理模块；
模型构建与粒子化模块：将流固特征导入并建立相应模型，同时将液体和部分固体离散成粒子，为后续计算做准备，具体包括模型特征导入、模型搭建、粒子参数设置；模型特征导入为导入流固几何特征并确定相应参数，包括固体的位置形状、流体域范围等，并以坐标形式呈现并使用；模型搭建为根据导入特征构建导入的固体和流体，其中决定流体域的固体根据实际情况选择固体粒子搭建或是三角面片网格搭建，而流体部分则用流体粒子搭建；粒子参数设置为赋予粒子以物理参数，包括粒子位置、速度、温度等；
参照图2，本实施例模型构建为高温球与水的物理模型，初始状态下，水上方有一悬空固体球，水的侧面和底部设置壁板作为边界，模型的尺寸参数如下所示：球的直径为0.5m，水的高度3.0m，宽度为3.0m，壁板高度为4.01m，下落高度为5.0m；本实施例模型粒子化：圆形球由可移动固体粒子构成，水由液体粒子构成，边界壁板则由位置固定的固体粒子构成；
本实施例粒子化参数：粒子间距0.01m、液体粒子初始速度0、初始温度293K，固体粒子初始速度0，初始温度363K；
系统算法设置模块：包括计算模式选择、全局参数设置和计算算法设置；计算模式选择包括CPU计算和GPU计算，其中CPU计算对配置要求低，但计算时间长，采用GPU加速计算所需配置要求高，需安装NVIDIA显卡和通用并行计算架构CUDA才能够实现；全局参数设置包括迭代参数设置和流固物性参数设置，迭代参数包括：时间步长选取、仿真总时间设定；流固物性参数包括流体固体密度等动力学参数和流体固体热导率、比热容等热力学参数，这些参数由实际工况条件确定；计算算法设置明确了控制方程的求解格式及相关引入项，其包括：核函数设置、约束修正形式设置、时间积分形式设置、人工粘性设置、微观尺度力设置、热力学计算设置、动力学边界条件设置、热力学边界条件设置和环境变量设置；
核函数是决定计算器离散流动方程、求解相应物理场的核心函数，核函数设置包括两种核函数形式：三次样条插值函数，五阶Wendland函数；
约束修正设置是根据给定的约束条件及时修正物体位置以防止粒子穿透模型或壁面，约束条件包括体积约束、密度约束、表面张力约束等；
时间积分形式设置规定了每个循环步中速度密度等物理量更新的迭代格式，选择的算法包括以下两种：Verlet算法和Symplectic算法；
为增加数值模拟稳定性并消除非物理振荡，引入人工粘性设置来对流体粒子的相对运动产生阻尼作用，并体现在动量守恒方程中；
为使流体流动过程更加逼真，则需引入三种微观尺度力，包括内聚力、表面张力和附着力；其中内聚力是与粒子间距离相关的粒子互相吸引力，其引入会使粒子更倾向于聚合成液体而非彼此分散；表面张力给予流体表面更真实效果，并有效避免邻近粒子不足时，核函数插值求出的流体密度低于标准密度，从而产生粒子异常凝聚的状况；附着力是指液体和固体之间的相互吸引力，会使液体附着在固体表面上，通过调节附着力系数改变液体附着在固体表面的牢固程度，附着力系数需人为输入到模块中；
热力学计算设置采用基于傅里叶导热定律的离散化热传导方程来求解温度场，涉及恒温恒流绝热三种边界条件，经修正后计算域内的任意粒子a在某时刻的温度求解满足式
其中b为a粒子周边光滑半径内粒子，rab为粒子a与粒子b距离，ka和kb为粒子a与b的导热率，不同物质导热率不同，cp,a为压强p下a粒子比热容；
所述动力学边界条件设置为通过对距离边界比较近的流体粒子施加与边界切面相垂直、与粒子运动方向相反的作用力或动量的方式来避免流体粒子穿透固体模型，同时产生粒子反弹、流体飞溅的效果，包括边界力法和边界动量法；
所述热学边界条件包括温度恒定边界条件、热流恒定边界条件和绝热边界条件，根据实际需要进行选择，其中温度恒定边界条件即选定的固体粒子温度始终不变，热流恒定边界条件即保持热流密度为常数，从壁面指定区域传递到流体单位时间的热量保持不变；绝热边界条件即流体不与壁面产生热量交换；
所述的环境变量设置包括重力和周期性摇晃力，其中模拟水平面的流动时不引入重力，模拟涉及竖直方向流体流动时引入重力；在波浪仿真时添加周期性摇晃力以实现液体波动效果；
本实施例系统算法设置模块的设置如下：
计算模式选择GPU并行计算；
迭代参数设置：时间步长选取0.02s；仿真总时间设定10s；
选取的流固物性参数如下：流体密度1000kg/m3,固体边界密2719kg/m3，固体球密度800kg/m3，流体导热率0.6W/(m*K)，固体热导率202.4W/(m*K)，流体比热容4182J/(kg*K)，固体比热容871J/(kg*K)；
核函数设置选择五阶Wendland函数；
约束修正设置采用对约束函数在当前解邻域线性化展开的方式进行位置修正，点p为当前点，Δp为位移向量，C为约束函数，约束函数的位置修正满足线性展开式
时间积分形式设置选择Symplectic算法；
引入人工粘性设置采用直接更新速度的方式通来产生阻尼，速度由公式
得到，其中v为粒子速度，W为核函数，c即为人工粘性系数，默认值0.02；
引入内聚力、表面张力和附着力三种微观力，其中粒子j对粒子i的内聚力由公式得到
式中γcohesion为内聚力系数，设定为0.02，表面张力由公式
决定，其中
h为缩放因子，γsurfaceTension其中表面张力系数，设定为0.01；附着力系数设为0，即不引入附着力；
壁面为固体壁面，动力学边界条件选择边界力法，即对靠近边界的粒子施加反向作用力；
壁面的热力学边界条件设置为绝热；根据热导率、比热容、粒子密度等参数按照相应离散热传导方程
进行热力学计算设置；
环境变量设置引入重力，重力加速度大小设置为9.81m/s2；
流场计算模块：模型构建基础上，依照设置的算法，通过对流体控制方程求解，迭代计算每一时刻流场各物理参数的模拟结果；流场计算模块包括参数导入、流场动力学计算、流场温度分布计算和循环迭代过程；
流场计算模块读入模型搭建与粒子化模块的仿真模型后，在每个循环迭代时间步内，计算器根据流体域，动力学边界条件、流体物性参数和环境变量参数等输入量利用光滑粒子流体动力学原理对流动控制方程求解得到相应流场内粒子动力学参数，控制方程包括质量方程、动量方程，粒子动力学参数包括粒子的位置与速度等，进而获得流体流动状态；
在已知粒子位置情况下，根据热学边界条件，求解热传导方程，更新所有粒子的温度值，获得相应时刻流体温度场分布；
所有粒子计算完成后保存相应物理参数数据；
按照时间积分格式更新时间步并计算下一时刻流体域内粒子位置分布、速度分布和温度分布，得到更新后的各粒子相应物理参数；
重复上述迭代循环计算直至设定的仿真时间结束；
后处理模块：对流场计算模块所得的各时刻粒子位置、速度、温度数据进行可视化处理，形成实时动态分布图，以直观的方式展示在给定工况下流体包括流动冲击飞溅等效果在内的运动过程和受热或冷却的温度变化过程；
后处理模块的执行步骤如下：读入计算模块得到的具有所有粒子各时刻位置速度和温度等物理量信息的文件，使用开源、跨平台数据分析和可视化软件对数据进行可视化，得到每个时间步粒子位置、速度和温度分布图，其中各粒子的位置将以xyz直角坐标的形式被确定，粒子的速度温度等信息将用连续变化的色谱来直观地展现，如图3、图4所示；使用各时间步的流体粒子位置、速度和温度分布图生成能模拟整个流动和传热过程的效果动画。
上述实施例是在特定的设计条件下完成的，本发明应包括且不局限于所述实施例，本领域技术人员根据本发明公开的设计思路和精神原则进行的各种不脱离本发明实质的改变，仍然在本发明保护范围内。
Claims (5)
1.一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，其特征在于：采用光滑粒子流体动力学的拉格朗日方法，将流体用粒子的形式表示，并把场函数中相应偏微分方程离散为与时间有关的常微分方程，通过集成相应热流耦合计算公式，实现热流耦合场景的瞬态模拟；包括：模型构建与粒子化模块、系统算法设置模块、流场计算模块和后处理模块；
模型构建与粒子化模块：将流固特征导入并建立相应模型，同时将液体和部分固体离散成粒子，包括模型特征导入、模型搭建、粒子参数设置；
系统算法设置模块：包括计算模式选择、全局参数设置和计算算法设置；计算模式选择包括CPU计算和GPU计算；全局参数设置包括迭代参数设置和流固物性参数设置，迭代参数包括：时间步长选取、仿真总时间设定；流固物性参数包括流体固体的动力学参数和流体固体的热力学参数，参数由实际工况条件确定；计算算法设置明确了控制方程的求解格式及相关引入项，其包括：核函数设置、约束修正形式设置、时间积分形式设置、人工粘性设置、微观尺度力设置、热力学计算设置、动力学边界条件设置、热力学边界条件设置、环境变量设置和迭代参数设置；
流场计算模块：通过对流体控制方程求解，迭代计算每一时刻流场各物理参数的模拟结果；流场计算模块包括参数导入、流场动力学计算、流场温度分布计算和循环迭代过程；
后处理模块：对流场计算模块所得的各时刻粒子位置、速度、温度数据进行可视化处理，形成实时动态分布图，以直观的方式展示在给定工况下流体包括流动冲击飞溅等效果在内的运动过程和受热或冷却的温度变化过程。
2.根据权利要求1所述的一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，其特征在于：所述的模型构建与粒子化模块中模型特征导入为导入流固几何特征并确定相应参数，包括固体的位置形状和流体域范围等，并以坐标形式呈现；模型搭建即根据导入特征构建或表示导入的固体和流体，其中决定流体域的固体根据实际情况选择固体粒子搭建或是三角面片网格搭建，而流体则用流体粒子搭建；粒子参数设置为赋予粒子以物理参数，包括粒子位置、速度、温度。
3.根据权利要求1所述的一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，其特征在于：所述的系统算法设置模块中核函数设置包括两种核函数形式：三次样条插值函数，五阶Wendland函数；
约束修正设置根据给定的约束条件及时修正物体位置，约束条件包括体积约束、密度约束、表面张力约束；
时间积分形式设置规定了每个循环步中物理量更新的迭代格式，选择的算法为：Verlet算法或Symplectic算法；
引入人工粘性设置来对流体粒子的相对运动产生阻尼作用，并体现在动量守恒方程中；
引入三种微观尺度力，包括内聚力、表面张力和附着力；通过调节附着力系数改变液体附着在固体表面的牢固程度，附着力系数需人为输入到模块中；
热力学计算设置采用基于傅里叶导热定律的离散化热传导方程来求解温度场，涉及恒温恒流绝热三种边界条件，经修正后计算域内的任意粒子a在某时刻的温度求解满足式
其中b为a粒子周边光滑半径内粒子，rab为粒子a与粒子b距离，ka和kb为粒子a与b的导热率，不同物质导热率不同，cp,a为压强p下a粒子比热容；
动力学边界条件设置采用边界力法或边界动量法；
所述热学边界条件包括温度恒定边界条件、热流恒定边界条件和绝热边界条件，根据实际需要进行选择；
所述的环境变量设置包括重力和周期性摇晃力，其中模拟水平面的流动时不引入重力，模拟涉及竖直方向流体流动时引入重力；在波浪仿真时添加周期性摇晃力以实现液体波动效果。
4.根据权利要求1所述的一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，其特征在于，所述的流场计算模块的执行步骤为：读入模型搭建与粒子化模块的仿真模型后，在每个循环迭代时间步内，计算器根据流体域，动力学边界条件、流体物性参数和环境变量参数的输入量利用光滑粒子流体动力学原理对流动控制方程求解得到相应流场内粒子动力学参数，控制方程包括质量方程、动量方程，粒子动力学参数包括粒子的位置与速度，进而获得流体流动状态；
在已知粒子位置情况下，根据热学边界条件，求解热传导方程，更新所有粒子的温度值，获得相应时刻流体温度场分布；
所有粒子计算完成后保存相应物理参数数据；
按照时间积分格式更新时间步并计算下一时刻流体域内粒子位置分布、速度分布和温度分布，得到更新后的各粒子相应物理参数；
重复迭代循环计算直至设定的仿真时间结束。
5.根据权利要求1所述的一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统，其特征在于，所述的后处理模块的执行步骤如下：读入计算模块得到的具有所有粒子各时刻位置速度和温度的物理量信息的文件，使用开源、跨平台数据分析和可视化软件对数据进行可视化，得到每个时间步粒子位置、速度和温度分布图，其中各粒子的位置将以xyz直角坐标的形式被确定，粒子的速度温度信息将用连续变化的色谱来直观地展现；使用各时间步的流体粒子位置、速度和温度分布图生成能模拟整个流动和传热过程的效果动画。
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114662425A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-06-24 | 浙江远算科技有限公司 | 一种水轮机启停工况流场仿真预测方法及系统 |
| CN114676617A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-06-28 | 西安交通大学 | 一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法 |
| CN114792059A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-07-26 | 北京航空航天大学 | 冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法 |
| CN114925585A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-08-19 | 苏州大学 | 超高强钢热冲压成型模具温度场交互式耦合数值模拟方法 |
| CN115438551A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-12-06 | 北京理工大学 | 一种计算发动机燃烧室隔热效能的cfd-fem联合仿真方法 |
| CN116205152A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-06-02 | 中广核风电有限公司 | 一种海上漂浮式风机的数值模拟方法及装置 |
| CN116595884A (zh) * | 2023-05-24 | 2023-08-15 | 上海交通大学 | 微型核反应堆系统超实时计算实现方法 |
| CN116992747A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-11-03 | 深圳十沣科技有限公司 | 一种基于sph流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法 |
| CN117195776A (zh) * | 2023-10-08 | 2023-12-08 | 江苏大学 | 一种基于ibm-voset-dem的三相流动传热耦合仿真方法及系统 |
| CN117744181A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-22 | 西安交通大学 | 一种变压器电弧故障压力释放阀动作特性仿真方法 |
| CN118013809A (zh) * | 2024-01-24 | 2024-05-10 | 北京科技大学 | 一种实时气液耦合仿真方法及装置 |
| CN117744181B (zh) * | 2023-12-21 | 2024-09-03 | 西安交通大学 | 一种变压器电弧故障压力释放阀动作特性仿真方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104143027A (zh) * | 2014-08-01 | 2014-11-12 | 北京理工大学 | 一种基于sph算法的流体热运动仿真系统 |
| WO2017084106A1 (zh) * | 2015-11-20 | 2017-05-26 | 田川 | 一种数值模拟飞行器流场的系统及方法 |
| CN107657131A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-02-02 | 北方工业大学 | 一种基于GPUs集群的流体交互仿真方法及系统 |
-
2021
- 2021-10-15 CN CN202111201214.1A patent/CN113947003B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104143027A (zh) * | 2014-08-01 | 2014-11-12 | 北京理工大学 | 一种基于sph算法的流体热运动仿真系统 |
| WO2017084106A1 (zh) * | 2015-11-20 | 2017-05-26 | 田川 | 一种数值模拟飞行器流场的系统及方法 |
| CN107657131A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-02-02 | 北方工业大学 | 一种基于GPUs集群的流体交互仿真方法及系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 何雅玲;李庆;王勇;唐桂华;: "格子Boltzmann方法的工程热物理应用", 科学通报, no. 18 * |
| 邵绪强;杨晓丹;李继荣;阎蕾;: "大规模流体场景的真实感与实时模拟", 中国图象图形学报, no. 07 * |
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114676617A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-06-28 | 西安交通大学 | 一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法 |
| CN114792059A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-07-26 | 北京航空航天大学 | 冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法 |
| CN114662425A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-06-24 | 浙江远算科技有限公司 | 一种水轮机启停工况流场仿真预测方法及系统 |
| CN114925585A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-08-19 | 苏州大学 | 超高强钢热冲压成型模具温度场交互式耦合数值模拟方法 |
| CN115438551B (zh) * | 2022-10-10 | 2023-12-08 | 北京理工大学 | 一种计算发动机燃烧室隔热效能的cfd-fem联合仿真方法 |
| CN115438551A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-12-06 | 北京理工大学 | 一种计算发动机燃烧室隔热效能的cfd-fem联合仿真方法 |
| CN116205152A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-06-02 | 中广核风电有限公司 | 一种海上漂浮式风机的数值模拟方法及装置 |
| CN116205152B (zh) * | 2022-12-12 | 2024-06-07 | 中广核风电有限公司 | 一种海上漂浮式风机的数值模拟方法及装置 |
| CN116595884A (zh) * | 2023-05-24 | 2023-08-15 | 上海交通大学 | 微型核反应堆系统超实时计算实现方法 |
| CN116595884B (zh) * | 2023-05-24 | 2024-05-14 | 上海交通大学 | 微型核反应堆系统超实时计算实现方法 |
| CN116992747A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-11-03 | 深圳十沣科技有限公司 | 一种基于sph流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法 |
| CN116992747B (zh) * | 2023-09-28 | 2024-03-22 | 深圳十沣科技有限公司 | 一种基于sph流固耦合的冲击式水轮机动力学分析方法 |
| CN117195776A (zh) * | 2023-10-08 | 2023-12-08 | 江苏大学 | 一种基于ibm-voset-dem的三相流动传热耦合仿真方法及系统 |
| CN117744181A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-22 | 西安交通大学 | 一种变压器电弧故障压力释放阀动作特性仿真方法 |
| CN117744181B (zh) * | 2023-12-21 | 2024-09-03 | 西安交通大学 | 一种变压器电弧故障压力释放阀动作特性仿真方法 |
| CN118013809A (zh) * | 2024-01-24 | 2024-05-10 | 北京科技大学 | 一种实时气液耦合仿真方法及装置 |
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