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在光滑粒子流体动力学方法中,边界处理是一个关键的技术挑战。主要问题在于边界会破坏粒子分布的局部对称性,导致标准SPH方程在边界附近失效,因此需要特殊的方法来恢复计算的准确性。
固定边界处理有三种主要方法。边界粒子法在边界布置固定的边界粒子,参与邻居计算并对流体粒子施加反作用力。镜像粒子法创建流体粒子的镜像来恢复局部对称性。排斥力法让边界对靠近的流体粒子施加排斥力,防止穿透。
边界粒子法的详细计算包括三个主要步骤。首先是密度计算修正,将边界粒子的贡献加入流体粒子的密度计算中。然后计算压力反作用力,边界粒子对流体粒子施加压力梯度力。最后是粘性阻力计算,模拟边界的粘性效应。这些力的综合作用确保了边界条件的正确实现。
移动边界处理是固定边界方法的扩展。移动边界粒子法中,边界粒子随着物体按预定轨迹运动,需要考虑边界速度对相对运动的影响。移动镜像粒子法则动态更新镜像粒子的位置和属性。关键在于正确计算边界运动轨迹、相对速度,并实时更新作用力。
总结SPH边界处理的关键要点:边界处理解决了粒子分布对称性破坏的问题。边界粒子法通过布置固定粒子参与计算并施加作用力。镜像粒子法恢复局部对称性提高计算精度。移动边界需要考虑相对运动效应和动态力的实时更新。其中边界粒子法因其灵活性和处理复杂边界的能力,是目前最常用且有效的方法。