流体

流体，是与固体相对应的一种物体形态，是液体和气体的总称。由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状并且具有流动性。流体都有一定的可压缩性，液体可压缩性很小，而气体的可压缩性较大，在流体的形状改变时，流体各层之间也存在一定的运动阻力（即粘滞性）。当流体的粘滞性和可压缩性很小时，可近似看作是理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。是液压传动和气压传动的介质。

固体和流体具有以下不同的特征：在静止状态下固体的作用面上能够同时承受剪切应力和法向应力。而流体只有在运动状态下才能够同时有法向应力和切向应力的作用，静止状态下其作用面上仅能够承受法向应力，这一应力是压缩应力即静压强。固体在力的作用下发生变形，在弹性极限内变形和作用力之间服从胡克定律，即固体的变形量和作用力的大小成正比。而流体则是角变形速度和剪切应力有关，层流和紊流状态它们之间的关系有所不同，在层流状态下，二者之间服从牛顿内摩擦定律。

当作用力停止作用，固体可以恢复原来的形状，流体只能够停止变形，而不能返回原来的位置。固体有一定的形状，流体由于其变形所需的剪切力非常小，所以很容易使自身的形状适应容器的形状，在一定的条件下并可以维持下来。

网格重构对计算流体边界受力的影响

流场中边界受力研究并不是一个新颖的课题，研究成果丰富。基于CFD的研究可以得到很多流场信息，但是计算结果不免会有误差。在液力变矩器研究中，利用实验方法测量其轴向力非常困难，用CFD数值模拟的方法定量分析会用到动网格技术。动态网格技术主要有4种方法:弹性变形方法(Spring- Based Smoothing Method)，动态层法(Dynamic Layering Method)，局部重构方法(Local Remeshing Method)和ALE方法(Arbitrary Langrangian Eulaerian Element)。动网格技术在应用时非物理震荡是不可避免的，技术性的避免这种非物理震荡是CFD努力的方向。当问题不能直接解决和间接迂回时，在CFD中探索动网格计算可靠性也是一个很好的研究切入点，进一步如何从这些带有误差的信息当中挖掘出真实的流场数据也是CFD一个努力的方向。前人在计算流体介观方法，同样发现力的偏差存在且很大，同时用相同圆柱绕流的算例来分析网格对结果的影响。本文分别用静网格和动网格的技术来计算，研究了静网格和动网格的影响，包括网格的种类、疏密尺寸及布局等不同对计算结果的影响。

首先的研究工作以二维算例做试验，因为二维单个case的计算量小，便于对大量case进行计算分析，从而找寻切入方向和规律，有一定结论作指引后，我们再开始分析三维网格。所做的数值试验是通过二维channel流中的柱体绕流，分别以静网格和动网格计算，静网格计算时流体动圆柱始终不动，动网格计算时流体初始不动圆柱动，其实是一个算例，这里应用了类似风洞的运动参照系转换相对性原理。

弱可压缩流体边界处理

基于物理的流体模拟方法一直是计算机动画领域的一个研究热点和难点，在影视特效、广告和游戏中得到了广泛应用。其中，光滑粒子流体动力学(Smoothed ParticleHydrodynamics，SPH) 方法因其能够保证质量守恒，便于实施人为控制，容易捕捉浪花飞溅、泡沫等细节现象而在交互式模拟领域特别是游戏中得到了大量应用。但是由于现实生活中水等流体并不是可压缩的，而SPH方法起初是针对可压缩流体而设计，当用该方法模拟真实感流体场景时，会产生明显的视觉失真，这也极大限制了该方法在对视觉效果要求较高的行业，比如影视特效和广告中的应用。

聂霄针对流体与固体边界的交互模拟问题，提出一种基于弱可压缩光滑粒子流体动力学(SPH) 的边界处理算法。首先，引入一种新的体积权重函数，解决固体边界非均匀采样区域流体密度的计算误差问题; 然后，提出一种新的边界力计算模型，避免校正流体粒子位置信息，保证固体边界不可穿透; 最后，提出一种改进的流体压力计算模型，保证流体的弱可压缩性。实验结果表明，所提算法可以有效地解决基于位置校正的边界处理方法在模拟弱可压缩流体与非均匀采样固体边界交互时存在的稳定性问题，且仅需边界粒子的位置信息，在节约内存的同时避免了位置校正所带来的额外计算开销。

边界滑移

边界滑移也称界面滑移或壁面滑移，是指固体表面上的流体分子与固体表面之间存在相对切向运动速度。边界滑移问题的实验研究和计算模拟主要以发现边界滑移现象、研究边界滑移产生机理以及各种因素对边界滑移的影响规律为主要目的。此外，数值理论分析主要研究边界滑移的物理模型以及边界滑移对流动系统流体动力学行为的影响，为相关流体系统的设计、制造和使用提供理论指导。

实验研究是发现边界滑移现象最有说服力的手段。近年来，随着现代测试技术的发展，尤其是微纳技术的进步，越来越多的实验设备被用于研究边界滑移问题。最常见的边界滑移实验技术可以分为两类:一类是直接测量技术，另一类是间接测量技术。

（1）直接测量技术

直接测量技术的原理是基于光学成像理论，通过观察近壁面处被标记粒子的流动来推断整个流体的流动。典型的直接测量手段有微颗粒图像速度测量技术和荧光漂白恢复技术。

（2）间接测量技术

间接测量技术通过测量一些受边界条件影响的物理量(力、位移等)，然后与经典无滑移理论结果以及考虑边界滑移时的理论计算结果进行对比，从而间接判断是否发生边界滑移以及边界滑移长度的大小。最常见的间接测量技术是表面力仪和原子力显微镜。

分子动力学模拟的基本原理是将连续介质还原成由分子和原子组成的粒子系统，通过数值求解粒子体系经典力学运动方程的方法得到体系的相轨迹，并统计体系的结构特征与性质，得到连续介质的宏观特性。得益于分子动力学模拟理论、方法和计算机技术的发展，该方法已经成为继实验和理论手段之后，从分子水平了解和认识世界的第三种手段。

和实验手段相比，分子动力学模拟的优势在于:（1）无需制备带有微、纳尺度粗糙峰的表面;（2）可以方便地设定固一液界面特性，进而单独研究某一因素对边界滑移现象的影响规律;（3）能够方便地研究边界滑移现象产生的机理。另一方面，受限于现阶段计算机水平的发展，还无法进行大型的分子动力学系统的模拟计算。