基于SPH管道内液压油可视化仿真研究.doc

基于SPH管道内液压油可视化仿真研究 　　摘 要：传统的液压油仿真只是用参数模型进行动力学研究或者沿用一般的流体模拟方法进行模拟，不能针对液压油在管道内流动的具体粘温物理特性进行仿真。针对液压油粘温物理特性设置欠缺、粘温视觉效果不理想的问题，提出了一种适用于双管交叉处漩涡模拟的Stoke非定常平行剪切流模拟方法。该方法利用SPH粒子模型进行拓展，引入人工粘性设定粘温系数变量，模拟不同角度双管交叉处的漩涡。实验结果表明，该方法结合SPH控制容易的特点，增强了液压油粘温特性的分层视觉效果，有效模拟了液压油在不同角度双管交汇处的漩涡现象。 　　关键词：液压油可视化;粒子模型;非定常平行剪切流;视觉效果;漩涡现象 　　DOI：10.11907/rjdk.143589 　　中图分类号：TP302 　　文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2014）012-0019-04 　　基金项目：国家863计划项目（2012AA062202）;国家自然科学基金项目 　　作者简介：孙贤贤（1988-），女，山东济宁人，山东科技大学信息科学与工程学院硕士研究生，研究方向为多媒体技术;彭延军（1971-），男，山东青岛人，博士，山东科技大学信息科学与工程学院教授、硕士生导师，研究方向为多媒体技术、计算机图形学、图像处理、医学可视化、虚拟现实。 　　0 引言 　　 液压油普遍应用于生产生活的各种机械中，但是由于油体被管壁遮挡，不能实时看到管内的液压油流动状况。然而，液压教学、液压安全检测、液压系统生产运行以及相关液压系统培训等都需要液压油管内流动的视觉再现，因此，对管内液压油可视化模拟具有现实意义。 　　 液压油是多种添加剂与矿物油混合的一种液体，它粘性很强、密度大、高可压缩性，除此之外，液压油的粘性还随着温度的变化而变化，通常称为液压油的粘温性。外界温度越高，液压油的体积就会越大，其在管道内所受的压力也就越大。液压油是一种流体，所以流体的模拟方法也可应用在液压油的模拟中。目前，液压油的模拟主要有基于参数建模的方法和基于物理的方法。参数建模方法一般运用波动理论函数来模拟小范围内流体波动的效果，不能真实地描述现实世界中液压油在管道内流动的情况，而且控制比较困难。时培成lt;supgt;[1]lt;/supgt;等应用数字建模仿真模拟推导出的液压油密度及油液中空气含量随液压油液压力与温度变化的函数关系。文献[2]通过数学建模，对不同流速比和相同流速比但雷诺数不同的汇流管道进行了模拟。基于物理的模拟方法是基于立体运动的物理学规律对油体运动形态进行模拟，从而使液压油流动形态的模拟更具真实性;基于物理的方法有欧拉法和拉格朗日法两种。欧拉法计算量较小、方法简单，但是因为它以流体运动的整个区域作为观察对象，所以必须对整个空间进行处理，控制起来比较困难。相对而言，拉格朗日法实施比较容易，表达较清晰，不需要对流体的整个区域进行处理，在保证物理质量守恒的条件下，容易控制。虽然拉格朗日法重建平滑运动界面比较难，但其计算量也会随着系统粒子数量的增加而快速增加，随着计算机硬件的发展，这一缺点的影响也在下降，人们仍然普遍采用拉格朗日法模拟流体。 SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）是目前应用最多的拉格朗日方法之一。Losassolt;supgt;[3]lt;/supgt;等结合SPH和Particle level set 的方法模拟了流体。随着硬件的发展，采用GPU来加速模拟的整个计算成为又一有效手段。文献[4]基于GPU采用SPH方法较成功地模拟了管道内液体流动和液体出管道口后的漩涡、溅射等现象，证明了基于GPU的计算速度的高效性。但是，它只对管道内粒子赋予基本属性，构建了简单的模型，且不能提供真实的视觉效果。 　　 在液压系统中，经常遇到多个支流混合为一个管道的现象，管道交叉处漩涡现象是支流混合的普遍现象，使用以上方法并不能达到粘温特性的视觉效果、较低计算量以及较容易控制的目的。本文提出的适用于液压油模拟的Stoke非定常平行剪切流模拟方法可以达到容易控制的目的。结合物理模拟方法的优点，引入人工粘性，设置粘温系数，对其参数进行定量设置，降低了计算量，提高了粘温特性的视觉效果。 　　1 Stoke非定常平行剪切流数学原理 　　 在拉格朗日粒子法中，SPH模型是对Navier-Stokes方程进行求解的lt;supgt;[5]lt;/supgt;。运用SPH模型求解，其核心原理可以理解为在空间中离散位置的流体粒子所携带的状态量，通过对最近相邻粒子的状态量值进行累加求和得到，这些粒子的状态量包括粒子本身的质量、粒子在管道内所受的压强力、粒子相互间的粘性力、外部作用力、位置、颜色、透