[论文解读] SPHinXsys: an open-source multi-physics and multi-resolution library based on smoothed particle hydrodynamics

Chi Zhang, Massoud Rezavand+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2020

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 35被引用 17

一句话总结

SPHinXsys 是一个开源的多物理场、多分辨率光滑粒子流体动力学（SPH）库，用于模拟涉及流体、固体、热扩散、反应-扩散以及流固耦合的复杂工业系统。该库采用通用的 C++ API，结合无网格拉格朗日粒子方法与基于核函数的近似，实现对多种物理现象的灵活、统一建模，并通过流体力学、固体力学、电磁力学和心脏建模等基准案例得到验证。

ABSTRACT

In this paper, we present an open-source multi-resolution and multi-physics library: SPHinXsys (pronunciation: s'finksis) which is an acronym for \underline{S}moothed \underline{P}article \underline{H}ydrodynamics (SPH) for \underline{in}dustrial comple\underline{X} \underline{sys}tems. As an open-source library, SPHinXsys is developed and released under the terms of Apache License (2.0). Along with the source code, a complete documentation is also distributed to make the compilation and execution easy. SPHinXsys aims at modeling coupled multi-physics industrial dynamic systems including fluids, solids, multi-body dynamics and beyond, in a multi-resolution unified SPH framework. As an SPH solver, SPHinXsys has many advantages namely, (1) the generic design provides a C++ API showing a very good flexibility when building domain-specific applications, (2) numerous industrial or scientific applications can be coupled within the same framework and (3) with the open-source philosophy, the community of users can collaborate and improve the library. SPHinXsys presently (v0.2.0) includes validations and applications in the fields of fluid dynamics, solid dynamics, thermal and mass diffusion, reaction-diffusion, electromechanics and fluid-structure interactions (FSI).

研究动机与目标

• 开发一个统一的开源 SPH 框架，能够模拟工业和科学应用中的耦合多物理场系统。
• 实现多分辨率建模，以高效模拟具有不同空间和时间尺度的复杂系统。
• 提供灵活、可扩展的 C++ API，支持特定领域应用和社区驱动的开发。
• 在多种物理现象中验证该库的性能，包括流固耦合、热扩散、反应-扩散以及电磁力学。
• 通过全面的文档、教程以及 GitHub 上公开的源代码，支持可重复研究。

提出的方法

• 该库基于核函数近似空间导数和连续场的粒子化离散化，采用光滑粒子流体动力学（SPH）框架。
• 采用基于黎曼求解器的低耗散 SPH 格式，以准确模拟具有破碎和冲击现象的剧烈自由表面流。
• 针对弱可压缩 SPH（WCSPH）采用双准则时间推进方法，以提高稳定性和精度。
• 在流固耦合（FSI）问题中应用多分辨率技术，实现自适应粒子分辨率以提升效率。
• 采用各向同性和各向异性扩散格式对热扩散和质量扩散进行建模，并对扩散系数张量进行合理处理。
• 通过主动应力模型和 Holzapfel-Ogden 宏观本构定律实现电磁机械耦合，并在心肌组织上完成验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过单一 SPH 框架高效且准确地统一模拟多种物理现象，包括流体力学、固体力学和热扩散？
• RQ2 哪些数值策略能够实现 SPH 对剧烈自由表面流和流固耦合的稳定且精确模拟？
• RQ3 如何有效将多分辨率粒子技术集成到 SPH 框架中，以在不损失精度的前提下提升计算效率？
• RQ4 SPHinXsys 在多大程度上能够通过电磁机械耦合和反应-扩散动力学模拟复杂生物系统（如心脏）？
• RQ5 开源的、社区驱动的 SPH 库是否能在多物理场模拟中实现可重复性、可扩展性和工业适用性？

主要发现

• SPHinXsys v0.2.0 在基准测试中成功验证了流体力学模拟的准确性，包括具有破碎波浪的剧烈自由表面流。
• 该库准确再现了反应-扩散系统中的螺旋波图案，其在矩形和圆形区域的结果与 Ratti 和 Verani（2018）的研究一致。
• 单位立方体心肌组织的电磁机械模拟显示，在跨膜电位激活下变形行为一致，结果与文献数据相符。
• 双心室心脏模型模拟展示了通过自由脉冲和螺旋波传播实现的兴奋-收缩耦合。
• 多分辨率 FSI 与基于位置的 Verlet 时间推进法的实现，使得流固耦合系统的稳定、长期模拟成为可能。
• 开源发布配合完整文档和可重复的测试用例，确保了代码的可获取性、可扩展性以及社区协作。