[论文解读] A smoothed dissipative particle dynamics methodology for wall-bounded domains

Jun Yang|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2017

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 53被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种带动态虚拟粒子分配的平滑耗散粒子动力学方法（SDPD-DV），用于模拟壁面边界域中的介观流体流动。该方法采用流体粒子、边界粒子以及靠近固体壁面的动态分配虚拟粒子，结合混合的链表/Verlet列表邻居搜索方法与虚拟粒子密度建模，实现了精确的流体动力学与热力学行为，模拟结果与Couette流的解析解高度一致，且在低雷诺数下与FLUENT模拟结果吻合良好。

ABSTRACT

This work presents the mathematical and computational aspects of a smooth dissipative particle dynamics with dynamic virtual particle allocation method (SDPD-DV) for modeling and simulation of mesoscopic fluids in wall-bounded domains. The SDPD-DV method is realized with fluid particles, boundary particles and dynamically allocated virtual particles near solid boundaries. The physical domain in SDPD-DV contains external and internal solid boundaries, periodic inlets and outlets, and the fluid region. The solid boundaries of the domain are represented with boundary particles which have an assigned position, wall velocity, and temperature upon initialization. The fluid domain is discretized with fluid particles placed in a global index. The algorithm for nearest neighbor particle search is based on a combination of the linked-cell and Verlet-list approaches and utilizes large rectangular cells for computational efficiency. The density model of a fluid particle in the proximity of a solid boundary includes the contribution from the virtual particles in its truncated support domain. The thermodynamic properties of a virtual particle are identical to those of the corresponding fluid particle. Additional verification involves SDPD-DV simulations of transient, planar, Couette liquid water flow. The top plate is moving at and separated by 10-3 m from the bottom stationary plate. The numerical results are in very good agreement with the analytical solutions. Additional SDPD-DV verification is accomplished with the simulation of a body-force driven, low-Reynolds number flow of water over a cylinder of radius . The SDPD-DV field velocity and pressure are compared with those obtained by FLUENT.

研究动机与目标

• 开发一种用于固体边界域中流体流动的鲁棒介观模拟方法。
• 通过在边界附近引入动态虚拟粒子，解决耗散粒子动力学（DPD）中流体-壁面相互作用建模的挑战。
• 确保在固体壁面附近对密度、速度及热力学性质的准确表示。
• 将该方法与解析解及成熟的CFD模拟进行验证。
• 实现复杂几何结构中瞬态、低雷诺数流动的高效且精确模拟。

提出的方法

• 该方法使用流体粒子对流体域进行离散化，并采用全局索引系统进行粒子管理。
• 固体边界通过固定位置、壁面速度和温度的边界粒子表示，并在初始化时设定。
• 在固体边界附近动态分配虚拟粒子，以改善壁面附近流体的密度与应力计算。
• 采用混合邻居搜索算法，结合链表与Verlet列表方法，利用大矩形单元以提高计算效率。
• 壁面附近流体粒子的密度包括截断支持域内虚拟粒子的贡献。
• 虚拟粒子的热力学性质设定为与对应流体粒子相同，以保持一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将耗散粒子动力学扩展以精确模拟壁面边界域中固体壁面附近的流体行为？
• RQ2 动态分配的虚拟粒子对边界附近密度与应力计算的准确性有何影响？
• RQ3 SDPD-DV方法能否以高保真度重现平面Couette流的解析解？
• RQ4 在复杂流动几何结构中，SDPD-DV方法与成熟的CFD求解器（如FLUENT）相比表现如何？
• RQ5 在SDPD-DV框架中，混合链表/Verlet列表邻居搜索方法可实现何种计算效率？

主要发现

• SDPD-DV方法成功以高精度重现了液态水在瞬态平面Couette流中的解析解。
• 在低雷诺数下，SDPD-DV模拟的圆柱体绕流速度场与压力场与FLUENT模拟结果高度一致。
• 通过将虚拟粒子的热力学性质设定为与对应流体粒子相同，该方法保持了热力学一致性。
• 混合邻居搜索算法通过减少粒子对检查次数，显著提升了计算效率。
• 引入虚拟粒子可实现壁面附近密度的精确重构，这对稳定且精确的DPD模拟至关重要。
• 该方法在模拟复杂壁面边界流动时表现出鲁棒性与高精度，且数值扩散极低。