一种基于粒子网格适配算法的流固耦合方法以及装置制造方法及图纸

本申请涉及一种基于粒子网格适配算法的流固耦合方法以及装置。所述方法包括：根据流固耦合实验要求进行初始化，生成临界网格，确定接触粒子；以临界网格作为中间媒介实现流体端和耦合框架preCICE之间的连接，将流体端产生的力和临界网格进行插值从而传递给preCICE，然后preCICE再将力传递到固体结构，固体结构受到了力并且产生了形变的位移，并且把形变位移通过preCICE回传给临界网格，临界网格把形变位移和接触粒子进行插值进而更新其粒子的位置坐标信息。本发明专利技术能够复用网格接口的同时又可以通过粒子插值的方式支持无网格方法的耦合，极大的扩充了preCICE耦合软件的应用范围。的应用范围。的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于粒子网格适配算法的流固耦合方法以及装置


[0001]本申请涉及并行计算以及计算流体力学领域，特别是涉及一种基于粒子网格适配算法的流固耦合方法以及装置。

技术介绍

[0002]在实际的物理问题的研究中，大部分都可以归结为多物理场求解的问题，而其中流固耦合是一项重要的研究内容，它涉及到计算流体力学，计算固体力学以及材料学的相关理论基础。目前还没有一个统一的理论能够解决其中面临的所有问题，流固耦合的现象发生在实际中随处可见，并且影响着各个方面。随着计算机技术的发展，流固耦合问题能够用计算机进行求解，它极大的推动了航空航天，工业制造，能源开发等领域的发展，但目前由于技术有限，仍然存在很多难以克服的问题。
[0003]多物理场耦合框架(precise Code Interaction Coupling Environment, preCICE)是一个多物理场耦合库，它功能强大以及目前有活跃的用户作为支持，提供了数据映射以及各种耦合方案，并且提供各种类型的接口支持外部调用，使得耦合的求解器容易更新和进一步更新，同时，该软件的模块化程度高，可以当作黑盒模型进行使用，因此目前该软件兼容了大部分的在数值模拟领域具有极大影响力的开源软件，包括开源软件Alya，Ateles和闭源软件甚至商业软件COMSOL Multiphysics，Ansys Fluent等，它能够非常方便的直接进行FSI（fluid
‑
structure interaction）问题的求解，并且更换不同的求解器仅需更换连接preCICE耦合库的适配器，基于以上的这些优点，使得即便没有掌握许多的耦合理论的研究者也能够最快速的使用该耦合框架。极大的加速了流固耦合工作的研究进程，因此preCICE耦合框架是研究流固耦合理论的首选原型系统。在使用preCICE进行流固耦合的开发时，流体端和固体端均采用基于网格的方法进行计算，例如基于有限体积方法实现的开源软件OpenFoam，以及基于有限元方法实现的软件Deal.II，这些方法都存在一个特点，在计算的时候都依赖于网格，网格的质量好坏直接影响到最终的计算结果以及精度。
[0004]preCICE在多物理场耦合领域取得了很大的成功，目前还没有提供基于粒子方法的耦合方案，以往提供兼容的求解器都是基于网格的方法。这样导致擅长模拟自由表面流，大变形以及高速冲击响应问题的粒子方法没有发挥出应有的长处。因此，开发出能够耦合基于无网格的粒子方法兼容到preCICE多物理场耦合库是一项重要且富有前景的研究内容。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够将无网格方法纳入到耦合框架preCICE中求解FSI问题的基于粒子网格适配的流固耦合求解方法、装置、计算机设备和存储介质。
[0006]一种基于粒子网格适配算法的流固耦合方法，所述方法包括：根据流固耦合实验要求信息建立初始的物理模型；所述物理模型设定了求解区域
以及耦合边界条件；所述求解区域包括流体端和固体端；根据所述耦合边界条件和preCICE接口的定义标准生成临界网格；根据所述流体端的流体粒子到临界网格面片法向量的距离确定接触粒子；计算所述流体粒子对所述临界网格产生的合力，将所述合力和所述临界网格进行插值，并通过preCICE将力传递给所述固体端；在所述固体端在所述合力的作用下产生形变位移后，通过preCICE将所述形变位移回传给所述临界网格，通过所述临界网格将所述形变位移和所述接触粒子进行插值，得到所述接触粒子更新后的位置坐标信息；在所述流体端和所述固体端进行交互求解，若未满足迭代停止条件，则重新计算接触粒子进行迭代，否则，结束迭代，得到流固耦合实验的耦合响应。
[0007]在其中一个实施例中，还包括：在preCICE的配置文件中配置耦合参数；所述耦合参数用于确定流体端和固体端的求解器、preCICE使用的映射规则、通信方式和耦合方案。
[0008]在其中一个实施例中，还包括：在precice
‑
configure.xml配置文件里面定义流体求解器FluidSolver和固体求解器SolidSolver；设置数据映射方案；所述数据映射方案包括最近邻映射，最近投影和最径向基插值映射；配置通信方式；所述通信方式包括基于MPI方式的通信模式和基于TC/IP协议的网格通信模式；配置耦合方案；所述耦合方案包括显示串行、显示并行、隐式串行和隐式并行；当程序加载并开始运行时，将所述precice
‑
configure.xml配置文件读取到preCICE中；由preCICE根据所述precice
‑
configure.xml配置文件加载对应的耦合参数。
[0009]在其中一个实施例中，还包括：在通过所述临界网格将所述形变位移和所述接触粒子进行插值，得到所述接触粒子更新后的位置坐标信息之前，施加耦合边界条件，以约束所述接触粒子不穿透所述固体端的边界。
[0010]在其中一个实施例中，还包括：所述临界网格位于所述流体端和所述固体端之间的接触面之间。
[0011]在其中一个实施例中，还包括：获取所述求解区域中流体端的流体粒子到临界网格面片法向量的距离；若距离小于预设的接触阈值，则判定流体粒子与临界网格面片产生接触，所述流体粒子为接触粒子；所述接触阈值为SPH算法的光滑长度。
[0012]在其中一个实施例中，还包括：根据设定的插值精度将所述合力和所述临界网格进行插值，以使从所述流体端传递到所述固体端的力与所述流体粒子对临界网格产生的合力一致；其中，插值操作通过多线程并行进行；其中，插值操作通过多线程并行进行。
[0013]在其中一个实施例中，还包括：通过所述临界网格根据设定的插值精度将所述形变位移和所述接触粒子进行插值，以使所述流体粒子位置的更新能够遵守质量，动量以及能量守恒定律；其中，插值操作通过多线程并行进行。
[0014]一种基于粒子网格适配算法的流固耦合装置，所述装置包括：
初始化模块，用于根据流固耦合实验要求建立初始的物理模型；所述物理模型设定了求解区域以及耦合边界条件；所述求解区域包括流体端和固体端；临界网格确定模块，用于根据所述耦合边界条件和preCICE接口的定义标准生成临界网格；接触粒子确定模块，用于根据所述流体端的流体粒子到临界网格面片法向量的距离确定接触粒子；力插值模块，用于计算所述流体粒子对临界网格产生的合力，将所述合力和所述临界网格进行插值，并通过preCICE将力传递给固体端；位移插值模块，用于在固体端受到所述合力的作用后产生形变位移后，通过preCICE将所述形变位移回传给所述临界网格，通过所述临界网格将所述形变位移和所述接触粒子进行插值，得到所述接触粒子更新后的位置坐标信息；迭代求解模块，用于在流体端和固体端进行交互求解，若未满足迭代停止条件，则重新计算接触粒子进行迭代，否则，结束迭代，得到所述流固耦合实验的耦合响应。
[0015]一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子网格适配算法的流固耦合方法，其特征在于，所述方法包括：根据流固耦合实验要求信息建立初始的物理模型；所述物理模型设定了求解区域以及耦合边界条件；所述求解区域包括流体端和固体端；根据所述耦合边界条件和preCICE接口的定义标准生成临界网格；根据所述流体端的流体粒子到临界网格面片法向量的距离确定接触粒子；计算所述流体粒子对所述临界网格产生的合力，将所述合力和所述临界网格进行插值，并通过preCICE将力传递给所述固体端；在所述固体端在所述合力的作用下产生形变位移后，通过preCICE将所述形变位移回传给所述临界网格，通过所述临界网格将所述形变位移和所述接触粒子进行插值，得到所述接触粒子更新后的位置坐标信息；在所述流体端和所述固体端进行交互求解，若未满足迭代停止条件，则重新计算接触粒子进行迭代，否则，结束迭代，得到流固耦合实验的耦合响应。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述耦合边界条件和preCICE接口的定义标准生成临界网格之后，还包括：在preCICE的配置文件中配置耦合参数；所述耦合参数用于确定流体端和固体端的求解器、preCICE使用的映射规则、通信方式和耦合方案。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在preCICE的配置文件中配置耦合参数；所述耦合参数用于确定流体端和固体端的求解器、preCICE使用的映射规则、通信方式和耦合方案，包括：在precice
‑
configure.xml配置文件里面定义流体求解器FluidSolver和固体求解器SolidSolver；设置数据映射方案；所述数据映射方案包括最近邻映射，最近投影和最径向基插值映射；配置通信方式；所述通信方式包括基于MPI方式的通信模式和基于TC/IP协议的网格通信模式；配置耦合方案；所述耦合方案包括显示串行、显示并行、隐式串行和隐式并行；当程序加载并开始运行时，将所述precice
‑
configure.xml配置文件读取到preCICE中；由preCICE根据所述precice
‑
configure.xml配置文件加载对应的耦合参数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过所述临界网格将所述形变位移和所述接触粒子进行插值，得到所述接触粒子更新后的位置坐标信息之前，还包括：施加耦合边界条件，以约束所述接触粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨灿群，龙思凡，葛振，郭晓威，范小康，李超，唐滔，崔英博，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：