平滑粒子流体动力学(SPH)方法的进展

平滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种无网格Lagrangian计算技术,在处理一些问题时,比以Lagrangian坐标系和Eulerian坐标系为基础的常规网格有独特的优越性,特别适用于处理物质质点的流动性极大的问题,如超高速碰撞问题.文章对SPH的理论和计算方法做了简单的介绍,并对其发展过程和现状做了简单的回顾.     

单层及双层板的超高速碰撞试验(速度超过10km/s)的数值模拟

文章介绍了在Sandia国家实验室所进行的3个精确控制的超高速碰撞试验,使用两种复杂的流体码即多维流体动力学代码CTH和平滑粒子流体动力学代码SPH,对该试验进行数值模拟。该试验用质量为克大小的飞片及球形射弹以大约10km/s的速度撞击薄铝板及钢板(厚度小于1cm)。并分析了碎片云动力学计算预示结果及这些试验中金属板的损坏。     

空间碎片超高速碰撞数值分析

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对空间碎片超高速碰撞问题作了模拟分析,给出了靶孔直径和碎片云宽度随碰撞速度的变化、累积碎片分布、碎片云无量纲向前总动量随膨胀距离的变化、碎片云前端速度的变化规律以及碎片云速度矢量等。     

球形弹丸超高速撞击铝靶的分子动力学模拟

基于开源分子动力学程序LAMMPS建立球形铝弹丸超高速撞击铝靶的计算模型,模拟弹丸以10 km/s的速度超高速撞击单层靶、双层靶和半无限厚靶;获得了超高速碰撞靶板的物理过程及靶板损伤特性,与超高速碰撞宏观现象相似;厚靶成坑坑深与宏观经验公式计算结果基本一致。模拟结果初步表明,分子动力学方法可以对弹丸超高速碰撞薄靶和半无限厚靶进行模拟,为揭示碰撞过程中的微观机理提供了一种新的研究方法。     

航天器典型防护结构节点分离FEM的数值模拟

建立了一种航天器防护结构超高速碰撞数值模拟的节点分离有限元方法。通过重合节点网格转换和添加节点集约束建立了节点分离有限元模型。在显式积分迭代中,将达到断裂判据的节点集解离,从而生成裂纹。对网格畸变问题进行分析,并建立了几何识别方法,进而删除畸变单元,改善了算法的稳定性。应用节点分离方法模拟了单层板超高速撞击问题,并分析了撞击速度对弹丸变形程度和碎片云形状的影响。应用节点分离方法对Whipple防护结构、填充式防护结构和多层网结构进行了模拟,获得了与实验一致的结果。多种算例表明,节点分离有限元方法改善了以往断裂侵蚀有限元方法处理网格畸变、碎片云模拟以及二次碎片云碰撞等方面的能力,对典型防护结构模拟具有很好的适用性,能够成为光滑粒子流体动力学(SPH)方法的有效补充和替代。     

凝胶模拟液液滴碰撞的SPH数值仿真

雾化问题是凝胶推进技术研究的关键问题,雾化过程中不可避免地会出现液滴的碰撞。通过SPH方法对凝胶推进剂模拟液液滴的碰撞过程进行了数值模拟。针对气-液交界面处存在较大的密度、粘度梯度,对传统SPH方法做出改进。在此基础上,对空气中两个同尺寸的凝胶液滴碰撞过程进行了数值模拟,并与水滴的碰撞进行了对比,分析了凝胶推进剂的流变特性对于碰撞结果的影响。结果表明,凝胶液滴的碰撞动能在高粘度的作用下迅速耗散,液滴碰撞后,更易发生聚合,进一步增加了凝胶推进剂雾化的难度。     

航天飞机在飞行时的损害评估

文章介绍了用约翰逊空间中心超高速碰撞试验设备(HIT-F)上的BUMPER计算程序,对航天飞机观察窗表面在低地球轨道(LEO)环境受到超高速碰撞时的损害进行预测,并与实际损害情况进行了比较。     

带隔热层蜂窝夹层结构的超高速撞击特性研究

带隔热层的蜂窝夹层结构是航天器常用的结构材料。针对带隔热层蜂窝夹层结构开展了超高速撞击试验研究和数值模拟。通过试验获得了带隔热层蜂窝夹层结构的弹道极限方程,并利用该方程计算了带隔热层前板的等效厚度;同时采用光滑质点流体动力学(SPH)和有限元(FE)耦合的方法,对蜂窝夹层结构的超高速撞击过程进行了数值模拟,模拟结果表明:蜂窝芯限制了碎片云的径向膨胀,碎片云轴向流的导流和分流作用。     

数字全息测量超高速撞击碎片云实验研究

在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)超高速碰撞中心(HIRC)7.6 mm超高速碰撞设备的基础上，搭建纳秒级脉冲激光数字全息系统。提出滤波片和衰减片组合布置，减弱超高速碰撞等离子体自发光、提高信噪比的方法。实验获得了2.25 mm铝球弹丸以4.0 km/s的速度撞击0.5 mm厚铝板形成碎片云的全息图。采用小波变换算法对碎片云全息图进行重建，得到超高速撞击碎片云的三维结构和碎片大小。碎片云的轮廓呈椭球型，分为碎片云的前端、核心和外壳，碎片主要分布在弹丸破碎形成的碎片云核心，存在大碎片，且分布较集中，对后板的损伤也严重     

第二届全国超高速碰撞会议征文通知

正为交流国内超高速碰撞领域的最新技术进展,研讨当今国内外超高速碰撞领域的发展趋势,促进我国超高速碰撞技术研究与动能武器、空间碎片防护等工程应用的融合,为"十三五"规划提供有力支撑,经"第二届全国超高速碰撞会议筹备会议"和学术委员会讨论,并征得装备发展部和国家国防科工局有关部门同意,拟于2016年11月召开第二届全国超高速碰撞会议。会议由北京卫星环境工程研究所主办,     

充液航天器变质量液体大幅晃动的SPH分析方法

本文基于非惯性系下的光滑粒子流体动力学(SPH)方法,在以虚粒子设置缓冲层的开口边界处理方法基础上,提出一种流出流量可控的出口边界处理方法,能够根据当前时刻航天器的姿态信息和充液比,计算该动力学时间步下变质量液体晃动对航天器产生的作用力和作用力矩,使得航天器系统动力学的闭环仿真成为可能.最后,通过与计算流体动力学(CF...     

基于SPH方法的幂律流体突缩型管路流动过程仿真

应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了幂律型流体的突缩型管路流动过程仿真。推导了SPH形式的流体动力学控制方程,应用罚方法施加边界条件,应用人工应力消除拉伸不稳定现象,应用XSPH方法规范粒子秩序。提出了幂律型本构关系的SPH求解方法,推导了剪切速率及粘性项的计算公式。应用Poiseuille流算例对本文的幂律型本构求解方法进行了验证,获取了幂律型流体在突缩管中的流动特性,并与水的流动特性进行了对比分析。讨论了流动特性的成因。     

电大尺寸开口腔体RCS的SBR并行计算

文章利用消息传递协议MPI开发了针对电大尺寸开口腔体单站雷达截面(RCS)的射线弹跳法(SBR)并行计算程序。程序采用按照RCS计算角度间隔分配计算任务的大粒度并行计算方法,取得了较高的并行计算效率,大大减少了电大尺寸开口腔体的RCS计算时间。算例计算结果与文献吻合良好。     

基于多块结构网格的并行计算及负载平衡研究

从并行计算流体力学程序的稳定性和效率两大问题入手,针对多块结构网格的通用数据传输方法和基于遗传优化算法的负载平衡方法,并在已有串行多块结构网格程序基础上发展了相应的并行程序.该并行程序以物理区域分割为基础,采用MPI实现消息传递,适用于各种不同的并行机体系结构,具有很好的可移植性.大量数值实验证明,本文发展的并行程序具有良好的稳定性和并行效率,可以进一步应用于大规模实际工程计算.     

串行程序的并行划分算法及其正确性证明

针对多机系统结构，本文提出了在大粒度级并行划分串行程序的算示。该算法通过识别并行循环任务以及通过确定调用上下文关系识别过程任务，来划分串行程序中的并行成份。该算法是对串行程序实施并行分解的基础。本文还给出了该算法的正确性证明。     

高能X射线辐照材料的SPH数值模拟

高能脉冲X射线辐照材料时,能量沉积会使材料表层发生气化,并在材料内部形成高压热击波。目前一般采用差分方法对高压热击波过程进行数值模拟。文章尝试采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对X射线辐照材料进行数值模拟,由于材料表层的气化膨胀所致,膨胀后的粒子体积是原来的几十倍甚至上百倍,产生粒子大变形的粒子穿透现象;分析了产生粒子穿透现象的主要原因是气化边界处密度计算公式不合适所致,为此对密度计算公式进行了改进,并开展了基于改进密度计算公式的两种方法的数值模拟,两种方法的计算结果比较一致。     

一种实时系统中的信号处理实现

近年来,实时信号处理系统的要求越来越高,所用系统须具有处理大量数据的能力,这就要求系统硬件要达到很高的运算速度,并且软件处理程序也尽可能优化,以保证系统的实时性.基于某重点工程项目,介绍了一种高速数据并行处理系统,并详细说明了DSP中信号处理程序的操作流程.该系统能对输入信号的频谱进行分析,实时输出连续波频谱或脉冲波的时域频域信息,并已测试成功.     

纤维织物超高速碰撞热-力学模型与分析

考虑纤维织物碰撞过程中的生热、应变率强化及高温软化效应,引入Johnson-Cook模型及Gruneisen状态方程,建立纤维本构模型,基于FEM-SPH耦合算法,考虑纤维织物的纱线编织结构,建立了纤维织物超高速碰撞热-力学单胞模型.该模型可给出纤维织物超高速碰撞过程中的侵彻、破碎、应力、应变等力学信息,及纤维织物的生...