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空气动力学数值方法:光滑粒子流体动力学(SPH):SPH方
法的并行计算技术
1绪论
1.1SPH方法简介
光滑粒子流体动力学(SmoothedParticleHydrodynamics,SPH)是一种无网
格的数值方法,用于解决流体动力学问题。与传统的有限元或有限体积方法不
同,SPH方法使用一组离散的粒子来表示流体,这些粒子携带物理量(如质量、
速度、压力等),并通过粒子间的相互作用来模拟流体的运动。SPH方法的核心
在于使用核函数(Kernelfunction)来近似流体的连续场,从而避免了网格的生
成和维护,使得该方法在处理大变形和自由表面流动问题时具有独特的优势。
1.1.1核函数
核函数是SPH方法中用于近似连续场的关键。一个常见的核函数是高斯核
函数,其形式如下:
defgaussian_kernel(r,h):
高斯核函数
:paramr:粒子间距离
:paramh:核函数的平滑长度
:return:核函数值
importnumpyasnp
return(1.0/(np.sqrt(2*np.pi)*h))*np.exp(-0.5*(r/h)**2)
其中,r是粒子间距离,h是核函数的平滑长度。核函数值随着粒子间距离
的增加而减小,确保了粒子间的相互作用仅限于局部。
1.1.2粒子状态更新
在SPH方法中,粒子的状态(如速度和位置)通过粒子间的相互作用来更
新。例如,粒子的速度更新可以通过求解动量方程来实现,其中涉及到粒子间
的压力梯度和粘性力。下面是一个简化版的速度更新公式:
defupdate_velocity(particle,particles,dt):
更新粒子速度
:paramparticle:当前粒子
:paramparticles:所有粒子列表
:paramdt:时间步长
1
particle.velocity+=(-1/particle.mass)*sum(
(particle.pressure+p.pressure)*gaussian_kernel(np.linalg.norm(particle.position-p.positio
n),h)*dt
forpinparticlesifp!=particle)
这里,particle是当前要更新的粒子,particles是所有粒子的列表,dt是时
间步长。粒子的速度更新基于粒子间的压力差和核函数值。
1.2并行计算在SPH中的重要性
SPH方法在计算粒子间的相互作用时,涉及到大量的粒子对计算,这使得
并行计算成为提高计算效率的关键。并行计算可以将计算任务分配到多个处理
器或计算节点上,从而显著减少计算时间。在并行SPH计算中,通常采用消息
传递接口(MessagePassingInterface,MPI)或图形处理器(GraphicsProcessing
Unit,GPU)来加速计算。
1.2.1MPI并行计算示例
使用MPI进行并行计算时,可以将粒子数据分布到多个进程上,每个进程
负责计算其分配到的粒子与其他粒子的相互作用。下面是一个使用MPI进行粒
子间相互作用计算的简化示例:
frommpi4pyimportMPI
importnumpyasnp
#初始化MPI
comm=MPI.COMM_WORLD
rank=comm.Get_rank()
size=comm.Get_size()
#假设我们有1000个粒子,将它们均匀分配到所有进程上
num_particles=1000
particles_per_rank=num_particles//size
particles=np.linspace(0,1,num_particles)
#每个进程计算其分配到的粒子与其他粒子的相互作用
local_particles=particles[rank*particles_per_rank:(rank+1)*particles_per_rank]
forpinlocal_particles:
forqinparticles:
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