弯曲及运动边界问题的高效自适应移动粒子半隐式(MPS)方法研究及实验验证

计算区域存在运动边界（或大变形）的流动问题是传统网格方法研究的难点问题，尤其是含有复杂弯曲边界的非定常流动，计算容易受到网格剖分质量及网格模块间结合形式的影响，较难获得精确结果。本项目采用无需任何计算网格且适用于任意大变形问题的无网格移动粒子半隐式法，消除节点间固定拓扑结构，计算采用整体离散和整体求解，避免了所有基于网格的缺陷。针对无网格配点法，系统的提出一套弯曲边界离散描述方法，建立完整的边界离散理论体系并对误差控制进行理论分析。提出一种自适应流体粒子初场设置法，提升对复杂几何构型的可操作性和建模效率。根据自由边界、主动运动、被动(交互)运动和缩胀变形等四种基本运动边界的不同力学特点，建立相应的运动边界模型并改进边界积分形式。此外，通过搜索算法创新和并行计算来提高无网格法计算效率，基于实验对整体数值模型进行理论验证。本项目从方法层次为弯曲及运动边界问题的流动分析提供了理论和技术支持。

计算区域存在运动边界（或大变形）的流动问题是传统网格方法研究的难点问题，尤其是含有复杂弯曲边界的非定常流动问题，计算容易受到网格剖分质量及网格模块间结合形式的影响，传统基于网格的设计与分析方法常常引入假设或简化处理，造成了方法性误差以及其他各种限制。本项目采用无网格移动粒子半隐式法，该方法无需任何计算网格且适用于任意大变形问题，消除了节点间的固定拓扑结构，运动节点与当地的节点之间建立新的拓扑关系，计算采用整体离散和整体求解，避免了所有基于网格剖分的方法缺陷。. 采用移动粒子半隐式方法高效自适应的研究含弯曲及运动边界的复杂流动问题，本项目共开展了六个部分的研究工作，包括弯曲等复杂边界的均布离散法则及壁面力学特性研究，配点型无网格法的计算效率优化研究，弯曲及运动边界三维复杂非定常流动及尺寸效应研究，表面张力模型及复杂壁面流动研究，动静干涉现象PIV实验研究和开口系统速度边界模型研究等。具体研究结果如下：. 针对配点型无网格法精确离散复杂几何边界的问题，系统的提出一套弯曲边界几何形状的均布离散法则，同时，对误差控制进行了理论分析并对特殊情况给出了解决办法。该法则极大的提升了MPS法研究复杂几何构型的可操作性，精确度和建模效率。还对壁面力学特性进行了分析和改进，提出了标准的光滑和无滑移边界条件模型。. 针对无网格法计算效率较低的问题，通过搜索算法创新和并行计算来提高无网格法的计算效率。提出了位置比较消融法（PCER），采用粒子位置比较来代替距离比较，消除了绝大部分无效计算，降低了计算的阶数和复杂度，大幅提高了无网格法的计算效率。该方法具有计算量越大，优化效果越好的优点，且具有较好的通用性。. 首次将无网格MPS法引入到三维旋转动力机械流动的数值研究中，建立了一整套多参数模拟系统及数据分析方法。实现了三维动静相干复杂非定常流场的整体离散和整体求解，避免了传统数值方法的不足，为流体机械的计算和分析提供了一种更加准确的新方法。. 分类建立并改进了气-液，液-液和固-液表面张力模型，消除了自由面粒子聚集的现象和压力求解存在表面粒子误判的缺陷，大幅提升了压力求解计算的稳定性和整体计算的收敛性。同时，通过PIV实验测量获得实验数据验证了相关数值模型和计算的正确性。建立了开口系统进口速度边界模型，为研究复杂开口系统提供了研究基础