Полунеявный метод движущихся частиц

движущихся Полунеявный частиц ( MPS ) метод — это вычислительный метод моделирования течений несжимаемой свободной поверхности . Это макроскопический детерминированный метод частиц ( метод без лагранжевой сетки ), разработанный Кошизукой и Окой (1996).

Метод

Метод MPS используется для решения уравнений Навье-Стокса в лагранжевой системе. Применяется метод дробного шага, который заключается в разбиении каждого временного шага на два этапа прогнозирования и коррекции. Жидкость представлена частицами, и движение каждой частицы рассчитывается на основе взаимодействия с соседними частицами с помощью функции ядра. ^[1]^[2]^[3] Метод MPS аналогичен методу SPH ( гидродинамика сглаженных частиц ) (Gingold and Monaghan, 1977; Lucy, 1977) тем, что оба метода обеспечивают аппроксимацию сильной формы уравнений в частных производных (PDE) на основе интегральных интерполянтов. . Однако метод MPS применяет упрощенные модели дифференциальных операторов исключительно на основе процесса локального взвешенного усреднения без учета градиента функции ядра. Кроме того, процесс решения метода MPS отличается от процесса решения исходного метода SPH, поскольку решения УЧП получаются посредством полунеявного процесса прогнозирования-коррекции, а не полностью явного процесса в исходном методе SPH.

Приложения

На протяжении последних лет метод MPS применялся в широком спектре инженерных приложений, включая ядерную технику (например, Кошизука и др., 1999 ; Кошизука и Ока, 2001; Се и др., 2005 ), прибрежную инженерию (например, Гото и др. , 2005). ; 2005 . , al., 2005) al ; Nabian and Farhadi, 2016), Ocean Engineering (Shibata and Koshizuka, 2007; Sueyoshi et al., 2008; ) , Строительная инженерия (например, Chikazawa et al., 2001 ), Машиностроение (например, Heo et al., 2002 ; Sun et al., 2009). ), биоинженерия (например, Цубота и др., 2006 г. ) и химическая инженерия (например, Сан и др., 2006 г. , 2009 г. );

Улучшения

Улучшенные версии метода MPS были предложены для повышения численной стабильности (например, Koshizuka et al., 1998 Zhang et al., 2005 ; Farhadi , Ataie-Ashtiani and ; 2006 ; сохранение импульса (например, гамильтониан MPS Suzuki et al., 2007). Исправленный MPS Хайера и Гото, 2008 г .; Расширенный MPS Джандагиана и Шакибейнии, 2020 г. ), сохранение механической энергии (например, гамильтониан MPS Судзуки и др., 2007 г. ), расчет давления (например, Хайер и Гото, 2009 г. , Кондо и Кошизука, 2010 , Khayyer and Gotoh, 2010 , Xu and Jin, 2019 ), а также для моделирования многофазных и гранулированных потоков ( Nabian and Farhadi 2016 ; Xu and Jin, 2021 ; Xu and Li, 2022 ).

Ссылки

К.С. Ким, М.Х. Ким и Дж. К. Парк, «Разработка метода MPS (моделирования движущихся частиц) для выплескивания нескольких слоев жидкости», Журнал математических проблем в инженерии, том 2014 г., дои : 10.1155/2014/350165
Б. Атаи-Аштиани и Л. Фархади, «Полунеявный метод устойчивых движущихся частиц для течений на свободной поверхности», Fluid Dynamics Research 38, 241–256, 2006.
Ю. Чикадзава, С. Кошизука и Ю. Ока, «Метод частиц для упругих и вязкопластических структур и взаимодействий жидкости со структурами», Comput. Мех. 27, стр. 97–106, 2001.
Р. А. Джингольд и Дж. Дж. Монаган, «Гидродинамика сглаженных частиц: теория и применение к несферическим звездам», Mon. Нет. Р. Астрон. Soc., Том 181, стр. 375–89, 1977.
Х. Гото и Т. Сакаи, «Ключевые вопросы метода частиц для расчета обрушения волн», Coastal Engineering, Том 53, № 2–3, стр. 171–179, 2006.
Х. Гото, Х. Икари, Т. Мемита и Т. Сакаи, «Метод лагранжевых частиц для моделирования набегания волн на вертикальную дамбу», Coast. англ. J., Том 47, № 2–3, стр. 157–181, 2005 г.
С. Хео, С. Кошизука и Ю. Ока, «Численный анализ кипения при высоком тепловом потоке и сильном переохлаждении с использованием MPS-MAFL», Международный журнал тепломассообмена, том 45, стр. 2633–2642, 2002 г. .
А. Хайер и Х. Гото, «Разработка метода CMPS для точного отслеживания водной поверхности при прибойных волнах», Coast. англ. J., Том 50, № 2, стр. 179–207, 2008 г.
А. Хайер и Х. Гото, «Модифицированные полунеявные методы движущихся частиц для прогнозирования ударного давления двумерных волн», Coastal Engineering, том 56, стр. 419–440, 2009.
А. Хайер и Х. Гото, «Модель Лапласа более высокого порядка для улучшения и стабилизации расчета давления методом MPS», Applied Ocean Research, 2010 (в печати).
М. Кондо и С. Кошизука, «Повышение устойчивости полунеявного метода движущихся частиц», Int. Дж. Нумер. Мет. Жидкость, 2010 (в печати).
С. Кошизука и Ю. Ока, «Полунеявный метод движущихся частиц для фрагментации несжимаемой жидкости», Nuclear Science and Engineering, том 123, стр. 421–434, 1996.
С. Кошизука, С. и Ю. Ока, «Применение полунеявного метода движущихся частиц для безопасности ядерных реакторов», Comput. Жидкостная Дин. J., Том 9, стр. 366–375, 2001 г.
С. Кошизука, Х. Икеда и Ю. Ока, «Численный анализ механизмов фрагментации при паровых взрывах», Nuclear Engineering and Design, том 189, стр. 423–433, 1999.
С. Кошизука, А. Нобе и Ю. Ока, «Численный анализ обрушивающихся волн с использованием полунеявного метода движущихся частиц», Int. Дж. Нумер. Мет. Жидкость, том 26, стр. 751–769, 1998.
Л. Б. Люси, «Численный подход к проверке гипотезы деления», Astron. J., Том 82, стр. 1013–1024, 1977.
М. А. Набиан и Л. Фархади, «Метод многофазных бессеточных частиц для моделирования потоков гранулированных материалов и переноса отложений», Журнал гидротехники, 2016.
К. Сибата и С. Кошизука, «Численный анализ воздействия транспортной воды на палубу с использованием метода частиц», Ocean Engineering, том 34, стр. 585–593, 2007 г.
А. Шакибаиния и Ю.К. Джин «Модель частиц без сетки для моделирования прорыва плотины подвижного русла». Достижения в области водных ресурсов, 34 (6): 794–807. doi : 10.1016/j.advwaters.2011.04.011 .
А. Шакибаиния и Ю.К. Джин «Метод MPS со слабой сжимаемостью для моделирования течения со свободной поверхностью с открытой границей». Межд. Дж. Нумер. Methods Fluids, 63 (10): 1208–1232 (опубликовано в Интернете: 7 августа 2009 г.) doi : 10.1002/fld.2132 ).
А. Шакибаиния и Ю.К. Джин «Лагранжево моделирование потока через водосбросы с использованием полунеявного метода движущихся частиц». Учеб. 33-й Конгресс IAHR, Ванкувер, Канада, 2009 г., 1809–1816 гг.
А. Шакибаиния и Ю.К. Джин «Метод частиц без сетки MPS для многофазных потоков». Компьютерные методы в прикладной механике и технике. 229–232: 13–26. 2012.
А. Шакибаиния и Ю.К. Джин «Метод частиц без сетки на основе MPS для потока в открытом канале». Журнал гидротехники ASCE. 137 (11): 1375–1384. 2011.
М. Джандагян и А. Шакибаиния «Усовершенствованный метод слабосжимаемой МПС для течений со свободной поверхностью», Компьютерные методы в прикладной механике и технике, вып. 360, с. 112771, 01.03.2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.cma.2019.112771 .
М. Суеоши, М. Кашиваги и С. Наито, «Численное моделирование вызванных волнами нелинейных движений двумерного плавающего тела полунеявным методом движущихся частиц», Журнал морской науки и технологий, том 13, стр. 85–94, 2008.
З. Сунь, Г. Си и К. Чен, «Численное исследование перемешивания жидкостей с использованием метода частиц», Chemical Engineering Science, том 64, стр. 341–350, 2009.
З. Сунь, Г. Си и К. Чен, «Исследование механизма деформации и массопереноса при столкновениях бинарных капель методом частиц», Phys. Жидкости, Том 21, 032106, 2009.
К. Цубота, С. Вада, Х. Камада, Ю. Китагава, Р. Лима и Т. Ямагути, «Метод частиц для моделирования кровотока – применение к текущим эритроцитам и тромбоцитам», Журнал Earth Simulator, Том 5, стр. 2–7, 2006 г.
Т. Сюй, Ю. К. Джин, Моделирование конвективного перемешивания CO2 в геологических формациях с помощью бессеточной модели. Химико-технологические науки, 192, 187-198, 2018.
Х. Се, С. Кошизука и Ю. Ока, «Моделирование процесса осаждения капель в кольцевом потоке тумана с использованием метода трехмерных частиц», Nuclear Engineering and Design, том 235, стр. 1687–1697, 2005.
С. Чжан, К. Морита, К. Фукуда и Н. Сиракава, «Улучшенный метод MPS для численного моделирования задач конвективной теплопередачи», Int. Дж. Нумер. Мет. Жидкость, 51, 31–47, 2005.
Т. Сюй, Ю. К. Джин, «Усовершенствование метода частиц на основе проекций в потоках со свободной поверхностью за счет усовершенствованной модели Лапласа и методов стабилизации». Компьютеры и жидкости, 191, 104235, 2019.
Дж. Цзо, Т. Сюй, Д. З. Чжу, Х. Гу, Ударное давление волн прорыва плотины на вертикальную стену с различными условиями ниже по течению с помощью явного бессеточного метода. Океанское машиностроение, 256, 111569, 2022.
Т. Сюй, С.С. Ли, Разработка нелокального частичного перидинамического явного бессеточного метода несжимаемости и его проверка для моделирования сухих плотных зернистых потоков. Акта Геотехника, 1–20, 2022 г.
Т. Сюй, Ю. К. Джин, Двумерное континуальное моделирование коллапса зернистой колонны с помощью нелокальной перидинамики в бессеточном методе с реологией. Журнал механики жидкости, 917, A51, 2021.

Специфический

^ Набиан, Мохаммад Амин; Фархади, Лейла (2017). «Метод многофазных бессеточных частиц для моделирования потоков гранул и транспорта осадков». Журнал гидротехники . 143 (4): 04016102. doi : 10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001275 .
^ Набиан, Мохаммад Амин; Фархади, Лейла (3 августа 2014 г.). «Численное моделирование уединенной волны с использованием полностью лагранжевого полунеявного метода движущихся частиц». Том 1D, Симпозиумы: Явления переноса при смешивании; турбулентные потоки; Механика городских жидкостей; Гидродинамическое поведение сложных частиц; Анализ элементарных процессов в дисперсных многофазных потоках; Многофазные потоки с тепломассопереносом в технологических процессах; Гидромеханика авиационных и ракетных выбросов и их воздействие на окружающую среду; Высокопроизводительные вычисления CFD; Производительность систем многофазных потоков; ветроэнергетика; Количественная оценка неопределенности в измерениях и моделировании расхода . стр. V01DT30A006. дои : 10.1115/FEDSM2014-22237 . ISBN 978-0-7918-4624-7 .
^ Набиан, Мохаммад Амин; Фархади, Лейла (14 ноября 2014 г.). «Полунеявный метод устойчивых движущихся частиц для моделирования волн, генерируемых подводными оползнями». Том 7: Системы и технологии разработки жидкостей . стр. В007Т09А019. дои : 10.1115/IMECE2014-40419 . ISBN 978-0-7918-4954-5 .

Внешние ссылки

[1] Набиан, Мохаммад Амин; Фархади, Лейла (2017). «Метод многофазных бессеточных частиц для моделирования потоков гранул и транспорта осадков». Журнал гидротехники . 143 (4): 04016102. doi : 10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001275 .

[2] Набиан, Мохаммад Амин; Фархади, Лейла (3 августа 2014 г.). «Численное моделирование уединенной волны с использованием полностью лагранжевого полунеявного метода движущихся частиц». Том 1D, Симпозиумы: Явления переноса при смешивании; турбулентные потоки; Механика городских жидкостей; Гидродинамическое поведение сложных частиц; Анализ элементарных процессов в дисперсных многофазных потоках; Многофазные потоки с тепломассопереносом в технологических процессах; Гидромеханика авиационных и ракетных выбросов и их воздействие на окружающую среду; Высокопроизводительные вычисления CFD; Производительность систем многофазных потоков; ветроэнергетика; Количественная оценка неопределенности в измерениях и моделировании расхода . стр. V01DT30A006. дои : 10.1115/FEDSM2014-22237 . ISBN 978-0-7918-4624-7 .

[3] Набиан, Мохаммад Амин; Фархади, Лейла (14 ноября 2014 г.). «Полунеявный метод устойчивых движущихся частиц для моделирования волн, генерируемых подводными оползнями». Том 7: Системы и технологии разработки жидкостей . стр. В007Т09А019. дои : 10.1115/IMECE2014-40419 . ISBN 978-0-7918-4954-5 .

[1]

[2]

[3]