平滑颗粒流体动力学流建模

平滑颗粒流体动力学模型是一种拉格朗日法，将流体表示为随流体移动的具有固有材料属性的颗粒集合。可以使用 SPH 模型模拟高度动态自由表面流。

对于平滑颗粒流体动力学 (SPH) 多相模型的模拟，除其他许可证功能外，Simcenter STAR-CCM+ 还要求具有 sphflow 许可证。另请参见Simcenter STAR-CCM+ 许可。

SPH 模型使用不可压缩流 (ISPH) 物理模型来求解 SPH 多相模拟的守恒方程。通过定义液相，可以对在计算域中自由分布和携带的颗粒进行建模。平滑颗粒流体动力学多相求解器使用压力-速度分离方法来保持速度场内的质量守恒。

有关平滑颗粒流体动力学 (SPH) 的示例工作流程，请参见平滑颗粒流体动力学 (SPH)：变速箱润滑教程。

要设置平滑颗粒流体动力学 (SPH) 模拟，执行以下操作：
  1. 根据模拟要求准备所需的几何和表面区域。
    请参见为 SPH 准备几何。
  2. 选择物理连续体模型：
    1. 右键单击连续体节点并单击新建物理连续体。
    2. 右键单击连续体 > [物理连续体] > 模型节点，然后按顺序选择以下模型：

      组合框

      模型

      空间

      		 三维

      时间

      		 隐式非稳态

      材料
      • 多相
      • 多相交互作用（自动选定）
      多相流模型
      粘滞态 选择其中一个：
      • 层流
      • 无粘性
      可选模型
      • 如果重力会影响求解，则选择重力。
      • 如果要通过排除离开计算模型相关区域的流体颗粒来提高 SPH 流模拟的稳健性和稳定性，选择颗粒修复。请参见移除和重新分布颗粒。
      • 如果要对与壁面的粘性相互作用的简化表征进行建模，而无需在边界层中分布非常精细的颗粒，则选择壁面处理。请参见壁面处理模型参考。
      • 如果要在模拟过程中局部细化颗粒，选择自适应颗粒。此方法可用于局部细化流体，以提高精度和计算效率。

        请参见自适应颗粒建模。
  3. 要指定颗粒-壁面边界相互作用处理，选择模型 > 平滑颗粒流体动力学 (SPH) 节点，然后将边界公式设为以下选项之一：
    • 幽灵粒子法 - 将幽灵粒子放置在壁表面上或附近，以将流体域延伸到壁面。这些幽灵粒子用于模拟壁面对流体粒子的影响。
    • 边界积分法 - 使用表面积分直接估计壁面处的值。在对间隙小于颗粒尺寸的复杂几何进行建模时，此方法更为精确，而且计算成本高昂。
    注在活动模拟过程中，如果切换两种边界公式方法，则将重置模拟。系统将自动执行清除求解，并在输出窗口中显示一条警告消息。
    请参见边界公式。
  4. 如果要防止压力发生数值振荡并提高模拟的总体精度和稳定性，选择模型 > 不可压缩流 (ISPH) 节点，然后指定方案的稳化属性。
    请参见不可压缩流体 (ISPH) 模型属性。
  5. 定义液相：
    1. 右键单击[物理连续体] > 模型 > 多相 > 相节点，然后选择新建。
    2. 右键单击相 > [相] > 模型节点并选择以下模型：

      组合框

      模型

      材料

      		 液体

      状态方程

      		 恒密度（自动选择）
    3. 要指定相的材料属性，选择[相] > 模型 > 液体 > [相材料] > 材料属性节点，然后指定以下材料属性的值：
      • 密度
      • 动力粘度
  6. 要指定初始条件，选择初始条件节点并指定速度和压力值。
    请参见初始条件。
  7. （可选）如果要对表面张力建模，按照表面张力建模中所述的步骤操作。
  8. 指定表面区域的壁面和/或入口的边界条件和值。
    请参见设置边界条件。
  9. 要设置自适应时间步进，右键单击模型 > 自适应时间步 > 时间步提供程序节点，然后选择以下内容：
    • 压力 CFL - 建议始终选择此时间步提供程序，以保证 SPH 方案的整体稳定性。
    • 对流 CFL - 建议始终选择此时间步提供程序。与压力 CFL 结合使用可防止颗粒穿过壁面边界。
    • 粘性 CFL - 建议在对速度求解器使用显式时间积分时添加此时间步提供程序。
    • 表面张力 CFL - 建议在使用表面张力模型时添加此时间步提供程序。

      请参见SPH 自适应时间步提供程序参考。

  10. 通过在定义流体初始形状和位置的几何部件内生成颗粒，使流体离散化。
    请参见生成 SPH 颗粒。
  11. （可选）反转边界表面的方向。流体颗粒只考虑边界正面的边界条件。对于闭合表面，正面默认朝外。根据是要模拟内部流还是外部流，需要反转边界表面法线的方向。
    请参见边界法线定向。
  12. 如果要在模拟中包含旋转部件，可以在工具 > 运动节点中定义[旋转运动]，也可以为区域创建直接旋转：
    1. 要使用运动指定，选择区域 > [表面区域] > 物理条件节点，然后指定选项为运动指定。
    2. 选择物理值 > 运动指定节点，然后将运动设为[旋转运动]。
    3. 要指定直接旋转，选择区域 > [表面区域] > 物理条件节点，然后指定选项为直接旋转运动值。
    4. 选择物理值 > 直接旋转运动 > 直接旋转运动值节点，然后设置旋转属性。
      如果有多个部件分配给同一区域，则可以对部件进行子分组，然后为每个子组定义一个旋转。请参见定义直接运动旋转。
  13. 设置所需的任何报告、监视器、绘图和场景，为后处理做好准备。

    例如，要确定流体对边界施加的力或力矩，可以创建监视器并绘制力或力矩报告。

    请参见后处理 SPH 结果。
  14. 设置求解器参数和停止准则，然后运行模拟。
    在评估 SPH 流体模拟的收敛性时，作为初始指标的残差可突出显示所监视的场变化的差异。此外，还必须检查颗粒是否满足壁面条件（最小或无边界交叉）。为确保结果的准确性，还建议进行多次离散化的收敛性研究。
    如有必要，可通过修改 SPH 流体求解器数值属性来提高模拟的收敛性。

    请参见平滑颗粒流体动力学求解器参考。