基于自适应颗粒的多尺度仿真方法及其应用研究

本课题将对基于自适应颗粒的多尺度算法及其应用进行系统研究，首次提出颗粒根据系统的局域状态自适应划分，相邻颗粒间允许质量与能量的流动，从而在颗粒与系统小区域间建立直接的物理对应关系。颗粒之间通过经典的软体势相互作用，并与控制方程间建立映射关系，确保宏观物理量守恒定律不受破坏。颗粒间还将引入随机作用，模拟微观热涨落，保证系统的热力学一致性。为提高大型系统的计算效率，将开展该方法的并行计算研究。同时将研究自适应颗粒法与分子动力学及连续体力学的耦合计算方法，以适应耦合仿真的需要。本课题有望为多尺度计算的研究开辟一条新的方向，该方法也有望在复杂微流体、复杂材料和生物医学计算等方面发挥作用。

本项目对基于粒子的单一原理、以及耦合多尺度仿真方法进行了系统研究。针对传统的介观粒子仿真所存在的热力学不一致和粒子不一致等问题，提出了柔性耗散颗粒动力学方法，具有完全的热力学一致性，能够用于非稳态流动问题的介观计算。对连续体－粒子动力学耦合边界过渡问题进行了研究，提出了和缓期过渡的入流边界方法和可延伸性出流边界条件，为粒子仿真中非周期性边界条件施加提供了一种稳定的处理方案，且对局部微观状态影响很小。. 对基于粒子和网格的仿真结果可视化进行了研究，采用光滑采样方法建立了粒子仿真结果的统计和后处理系统，在统计保真的同时，可有效降低微观热噪声，并正确还原边界显示。基于体绘制方法建立了网格仿真结果的后处理系统，可实现多场参数的混合显示，能够进行数据场的时空四维显示。借鉴虚拟现实技术，实现了数据场的沉浸式漫游和交互。. 基于基本算法和仿真后处理研究成果，对裂纹扩展多尺度耦合仿真、气泡动力学多尺度耦合仿真、电化学材料蚀除多场耦合仿真以及复杂风冷系统的多尺度仿真进行了研究，对各自问题的基本原理进行了分析，仿真结果为工业界相应问题的处理提供了很好的参考。