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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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