小振幅声波的光滑粒子动力学模拟

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无网格方法由于其特有的许多优点,近年来被广泛引入声学问题的求解中。光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)作为一种无网格的拉格朗日方法,在复杂拓扑结构模拟、多介质处理和移动边界处理等方面具有许多优势,因此本文对小振幅声波的光滑粒子动力学数值计算方法和相关计算参数进行了研究。  首先采用光滑粒子动力学基本理论对小振幅声波基本方程进行了粒子表达式的推导,提出了小振幅声波的光滑粒子动力学数值计算方法。而后采用该理论进行了一维和二维声传播的模拟并验证了计算方法的正确性。  在此基础上,本文对声学问题的光滑粒子动力学模拟相关参数的显著性及合理选择范围进行了研究。显著性分析表明,粒子间距、光滑长度和时间步长为主要影响因素,此外粒子间距与光滑长度、光滑长度与时间步长间的交互作用对计算结果的影响也不容忽视。一维模型计算参数研究表明,表征时间步长与光滑长度间关系的α值较优取值范围为9~193,光滑长度取值范围为粒子间距的3.0~3.5倍,初始邻近粒子数为13个,在此条件下,粒子间距在0.01m至0.2m范围内时,其与计算误差呈二次方关系,粒子间距越小,计算结果精度越高。二维模型研究表明,光滑粒子动力学在声学模拟中对粒子的分布方式要求不高。  此外,本文还完成了部分光滑粒子动力学声学应用的探讨,对不同声压、声频率的声波传播以及声波干涉问题进行了数值计算及对比验证,并分析了计算声压和声频率对结果精度的影响。同时,对于静止传播介质中的声辐射计算提出了一种快速模拟处理方法,验证显示可明显节省计算时间。
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