颗粒流体力学方法：一种流体力学的颗粒离散单元方法

Aim at the problem of traditional fluid mechanics, the research put forward granule hydrodynamics method based on the idea of that fluid in the wind-blown movement system is discredited into elastic fluid granules in a certain scale of time and space, the reasons of fluid motion are fluid granules elastic collision and density difference (pressure difference). The analysis and research of classical shear flow in cavity show that the GHM results agree well with FDM and SPH results. GHM was put forward by the applicant independently, the motion law of fluid was determined based on fluid state equation and fluid sound velocity derivative state equation independently of the Navier-Stokes equation. It is a new method in the numerical simulation of fluid based on physical properties. It provided the innovative thought and method on the difficulties of fluid calculation. It has important scientific significance and practical values. The research paper Granule Hydrodynamics Method was picked up by International Journal of Computational Methods.

为了解决，传统流体力学在建立复杂流固系统的力学模型时，还存在很大的障碍和困难，还缺乏可行有效的理论和计算方法，这一目前流体力学遇到的最为基本而又复杂的科学问题，本项目基于在一定的时空中，假设流体由离散颗粒所组成,其运动的原因为流体颗粒间的碰摩和流体密度差，独立提出了一种颗粒流体力学方法(Granule Hydrodynamics Method,GHM)。GHM对流体运动规律的获得，基于流体状态方程和声速导数状态方程，不依赖N-S方程，是一种以流体物理属性为依据对流体运动的数值模拟方法，GHM的腔内剪切流动和泊肃叶管计算与FDM、SPH及理论结果非常吻合以及GHM其它的一些前期研究，初步验证了GHM的正确可行性。GHM完全不同于传统流体力学，是一种流体力学新方法具有原始创新性，为复杂流固系统建模难点的突破提供了创新思路和方法，具有重要的科学意义和流体力学科学前沿中的重大战略需求的应用价值。

颗粒流体力学方法（GHM）是一种解决多运动固体流固耦合系统中流体运动过程的计算方法。在对流固耦合系统中流体动力学问题的研究中，GHM能有效地建立流固耦合系统的数学分析模型，可便捷地获取系统的瞬时流场分布信息和确定流体与固体在运动过程中每一瞬时的相互作用力。与传统流体力学方法相比，GHM在一定的条件下具有普遍性和便利性。在解决有关多运动固体的流固耦合问题中，具有其独特的优势。.建立了GHM颗粒流体力学的运动方程、GHM流场中密度场压强场的研究、基于GHM固体封闭边界中边界颗粒的压强作用力研究以及基于GHM流-固接触边界研究包括：研究了流体颗粒直径大于或小于等于 网格边长时流场的密度和压强计算方法，给出了证明密度和压强计算正确性的相关验证，研究了流体颗粒压强力的作用边长。研究了固体封闭边界压强作用力的加载，研究中考虑了固体颗粒封闭边界的外部才承受压强作用力，修正封闭边界上颗粒受到的压强作用力的有向作用边长，建立了GHM血管流动力学模型，并以NACA0012验证了封闭边界处理的正确性。研究了GHM流-固接触边界的处理方法，讨论了当颗粒与计算区域边界或固体颗粒接触时流体颗粒位于重叠区域外的部分所在各个 网格的压强作用边长。研究了包括圆柱绕流和血液流动的GHM模拟算例，通过计算结果对比分析，说明GHM与传统流体力学方法以及相关实验相吻合有很好的一致性。.为了提高颗粒流体动力学方法的计算性能，在多核计算机环境下，本文提出基于OpenMP的并行编程模型实现GHM的主要计算模块算法的并行方案。首先，通过分析GHM算法的主要计算模块的实现过程，发掘计算过程中可被并行执行的关键模块。然后对OpenMP编译指导命令及运行时库函数等标准规范进行研究，利用OpenMP实现GHM中流体运动规律求解过程的并行处理。证明了应用OpenMP技术能够较为明显地提高GHM的计算性能，而且编程方式简单，具有很好的可移植性。