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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

法的离散化过程

1绪论

1.1SPH方法的起源与应用

光滑粒子流体动力学(SmoothedParticleHydrodynamics,SPH)是一种无网

格的数值方法,最初由Lucy和Gingold与Monaghan在1977年和1982年分别

独立提出,主要用于解决流体动力学问题。SPH方法的提出,是为了克服传统

有限元方法在处理大变形和自由表面流动时的局限性。它通过将连续介质离散

化为一系列粒子,利用粒子间的相互作用来模拟流体的运动,从而在不需要网

格的情况下进行计算,这使得SPH在处理复杂几何形状和大变形问题时具有独

特的优势。

SPH方法的应用领域广泛,包括但不限于:

天体物理学:模拟星系形成、恒星演化、行星碰撞等。

流体动力学:模拟水波、海浪、流体冲击、自由表面流动等。

工程应用:如爆炸、冲击波、材料成型、生物流体等。

环境科学:模拟河流、湖泊、海洋的流动,以及污染物的扩散等。

计算机图形学:用于电影特效、游戏开发中的流体模拟。

1.2SPH方法的基本原理

SPH方法的核心思想是将连续的流体场离散化为一系列粒子,每个粒子代

表流体的一个小体积,并具有一定的质量、位置、速度等属性。流体的物理量

(如密度、压力、速度等)在粒子间通过核函数(KernelFunction)进行平滑处

理,从而实现对流体动力学方程的数值求解。

1.2.1核函数(KernelFunction)

核函数是SPH方法中用于平滑物理量的关键工具。它定义了粒子间相互作

用的范围和强度,通常具有以下特性:

局部性:核函数在一定距离内有效,超过这个距离,粒子间的影

响可以忽略。

归一化:在粒子的影响范围内,核函数的积分等于1。

对称性:核函数关于原点对称,即ℎ=−ℎ。

一个常用的核函数是Spiky核函数,其形式如下:

3

1533

ℎ=731−2ℎ+4ℎ for ℎ

其中,是粒子间的位置向量,是核函数的平滑长度。

1

1.2.2离散化过程

在SPH方法中,流体的物理量(如密度,压力,速度等)在粒子上的值

通过以下公式进行估计:

≈−,ℎ

其中,是物理量在位置的估计值,是粒子的质量,是粒子上

−ℎ

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