Гідродинаміка згладжених частинок (ГЗЧ, англ. Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) — обчислювальний метод моделювання рідин та газів. Використовується в багатьох галузях досліджень, зокрема в астрофізиці, балістиці, вулканології та океанографії. Метод гідродинаміки згладжених частинок є безсітковим (англ. mesh-free) лагранжовим методом (тобто координати рухаються разом з рідиною), і роздільність методу можна легко відрегулювати відносно змінних, таких як густина.
Метод
Метод ГЗЧ використовує поділ рідини на дискретні елементи, які називають частинками. Ці частинки мають просторову відстань (яку ще називають «довжина згладжування» і в рівняннях здебільшого позначають ), на якій їхні властивості «згладжуються» функцією ядра. Це означає, що кожну з фізичних величин кожної з частинок можна отримати підсумовуванням відповідних величин усіх частинок, котрі перебувають у межах двох згладжених довжин. Наприклад, температура в точці залежить від температури всіх частинок на відстані 2 від .
Вплив кожної з частинок на властивості оцінюється відповідно до її густини та відстані до частинки, що розглядається. Математично це описує функція ядра (позначається ). Як функцію ядра часто використовують функцію Гауса (функція нормального розподілу) або кубічний сплайн. Остання функція дорівнює нулю для частинок, що перебувають далі, ніж дві згладжені довжини (на відміну від функції Гауса, де є незначний вплив на довільній скінченній відстані). Це дозволяє економити обчислювальні ресурси, нехтуючи відносно малим впливом віддалених частинок.
Значення будь-якої фізичної величини в точці , задає формула:
де — маса частинки j, — значення величини A для частинки j, — густина, пов'язана з частинкою j, і W — згадана вище функція ядра. Наприклад, густину частинки () можна виразити як:
де підсумовування включає всі частинки моделі.
Аналогічно, просторову похідну кількості можна отримати інтегруванням частинами для зміщення оператора набла () від фізичної величини до функції ядра:
Деформівний градієнт (дискретизація деформаційного градієнта)
де та
Корекція градієнту ядра
де — коригувальна матриця, яка визначається як
В результаті отримуємо:
Деформівний градієнт використовується для обчислення лінійного інфінітезимального деформівного тензора
Енергія деформації
де tr — слід, — коефіцієнти Ламе, які можна знайти за допомогою модулів Юнга та Пуасона :
Сили еластичного тіла визначаються як дивергенція тензора напруг
Програмне забезпечення для моделювання ГЗЧ
- — офлайновий фізичний рушій, призначений для використання в галузі комп'ютерної графіки, анімації та спецефектів, який використовує ГЗЧ.
- FLUIDS v.1 [ 13 червня 2009 у Wayback Machine.] — проста, вільна (ліцензія zlib) тривимірна реалізація ГЗЧ у режимі реального часу для рідин, написана на , використовує для розрахунків CPU та GPU.
- [en] — вільно доступний код для космологічних симуляцій N-body/ГЗЧ.
- — вільно доступний інструмент для візуалізації ГЗЧ-моделей.
- SPHysics [ 14 серпня 2012 у Wayback Machine.] — реалізація ГЗЧ з відкритим сирцевим кодом, написана на Фортрані.
- — вільна система абстракції, яка підтримує фізичні рушії реального часу з підтримкою ГЗЧ.
- Pasimodo [ 13 лютого 2012 у Wayback Machine.] — програмний пакунок для методів моделювання, що базуються на частинках, включно з ГЗЧ.
Застосування
Багато фізичних моделей розглядаються як рідина. Наприклад, Нільс Бор розглядав атом як краплю води. Прикладом, який підтверджував би моделювання реальної матерії ідеальною рідиною, є апроксимація нескінченно протяжної ядерної матерії, яка бере участь у електромагнітній та юкавській взаємодіях, ізотропною рідиною. Необхідною умовою для такого моделювання є достатньо висока щільність баріонів. Тоді вдається знайти відповідність між щільністю баріонів , щільністю ядерного конденсату , середньою масою баріонів й макроскопічними характеристиками рідини — енергією й тиском , виразивши та а швидкість пов'язати із струменем баріонів
До характеристик баріонів входить також спін, тому така рідина повинна бути спіновою (так звана рідина Вейсенхоффа-Раабе). SPH застосовується для моделювання формування структури Всесвіту й розрахунків, які відносяться до еволюції галактик й галактичної динаміки. Також SPH знаходить застосування у балістиці.
Примітки
- Dan Koschier, Jan Bender, Barbara Solenthaler, Matthias Teschner - Smoothed particle hydrodynamics techniques for physics based simulation of fluids and solids.
- W.P. Lin, Y.P. Jing, S. Mao, L. Gao, I.G. McCarthy - The influence of baryons of the mass distribution of dark matter halos.
Див. також
Посилання
- Перша велика симуляція утворення зірок з використанням ГЗЧ [ 23 квітня 2013 у Wayback Machine.]
- SPHERIC (SPH European Research Interest Community)
- - сайт Італійської теоретичної віртуальної обсерваторії, створений для запитів до бази даних архіву числового моделювання.
- SPHC Image Gallery [ 16 лютого 2012 у Wayback Machine.] - показує широкий спектр тестових випадків, експериментальних перевірок та комерційних застосувань ГЗЧ.
- J.J. Monaghan, "An introduction to SPH, " Computer Physics Communications, vol. 48, pp. 88-96, 1988.
- Impact Modelling with SPH Stellingwerf, R. F., Wingate, C. A., Memorie della Societa Astronomia Italiana, Vol. 65, p.1117 (1994).
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Gidrodinamika zgladzhenih chastinok GZCh angl Smoothed Particle Hydrodynamics SPH obchislyuvalnij metod modelyuvannya ridin ta gaziv Vikoristovuyetsya v bagatoh galuzyah doslidzhen zokrema v astrofizici balistici vulkanologiyi ta okeanografiyi Metod gidrodinamiki zgladzhenih chastinok ye bezsitkovim angl mesh free lagranzhovim metodom tobto koordinati ruhayutsya razom z ridinoyu i rozdilnist metodu mozhna legko vidregulyuvati vidnosno zminnih takih yak gustina MetodMetod GZCh vikoristovuye podil ridini na diskretni elementi yaki nazivayut chastinkami Ci chastinki mayut prostorovu vidstan yaku she nazivayut dovzhina zgladzhuvannya i v rivnyannyah zdebilshogo poznachayut h displaystyle h na yakij yihni vlastivosti zgladzhuyutsya funkciyeyu yadra Ce oznachaye sho kozhnu z fizichnih velichin kozhnoyi z chastinok mozhna otrimati pidsumovuvannyam vidpovidnih velichin usih chastinok kotri perebuvayut u mezhah dvoh zgladzhenih dovzhin Napriklad temperatura v tochci r displaystyle mathbf r zalezhit vid temperaturi vsih chastinok na vidstani 2h displaystyle h vid r displaystyle mathbf r Vpliv kozhnoyi z chastinok na vlastivosti ocinyuyetsya vidpovidno do yiyi gustini ta vidstani do chastinki sho rozglyadayetsya Matematichno ce opisuye funkciya yadra poznachayetsya W displaystyle W Yak funkciyu yadra chasto vikoristovuyut funkciyu Gausa funkciya normalnogo rozpodilu abo kubichnij splajn Ostannya funkciya dorivnyuye nulyu dlya chastinok sho perebuvayut dali nizh dvi zgladzheni dovzhini na vidminu vid funkciyi Gausa de ye neznachnij vpliv na dovilnij skinchennij vidstani Ce dozvolyaye ekonomiti obchislyuvalni resursi nehtuyuchi vidnosno malim vplivom viddalenih chastinok Znachennya bud yakoyi fizichnoyi velichini A displaystyle A v tochci r displaystyle mathbf r zadaye formula A r j m j A j r j W r r j h displaystyle A mathbf r sum j m j frac A j rho j W mathbf r mathbf r j h de m j displaystyle m j masa chastinki j A j displaystyle A j znachennya velichini A dlya chastinki j r j displaystyle rho j gustina pov yazana z chastinkoyu j i W zgadana vishe funkciya yadra Napriklad gustinu chastinki i displaystyle i r i displaystyle rho i mozhna viraziti yak r i r r i j m j r j r j W r i r j h j m j W r i r j h displaystyle rho i rho mathbf r i sum j m j frac rho j rho j W mathbf r i mathbf r j h sum j m j W mathbf r i mathbf r j h de pidsumovuvannya j displaystyle j vklyuchaye vsi chastinki modeli Analogichno prostorovu pohidnu kilkosti mozhna otrimati integruvannyam chastinami dlya zmishennya operatora nabla displaystyle nabla vid fizichnoyi velichini do funkciyi yadra A r j m j A j r j W r r j h displaystyle nabla A mathbf r sum j m j frac A j rho j nabla W mathbf r mathbf r j h Deformivnij gradiyent diskretizaciya deformacijnogo gradiyenta J i x X j N i 0 V j 0 x j i W X i j T displaystyle J i x X sum j in N i 0 V j 0 x ji nabla W X ij T de x j i x j x i displaystyle x ji x j x i ta X i j X i X j displaystyle X ij X i X j Korekciya gradiyentu yadra W i X i j L i W X i j displaystyle tilde nabla W i X ij L i nabla W X ij de L i displaystyle L i koriguvalna matricya yaka viznachayetsya yak L i j N i 0 V j 0 W X i j X i j T 1 displaystyle L i sum j in N i 0 V j 0 nabla W X ij X ij T 1 V rezultati otrimuyemo J i x X j N i 0 V j 0 x j i W X i j T displaystyle J i x X sum j in N i 0 V j 0 x ji tilde nabla W X ij T Deformivnij gradiyent vikoristovuyetsya dlya obchislennya linijnogo infinitezimalnogo deformivnogo tenzora e J 1 2 J J T 1 displaystyle varepsilon J frac 1 2 J J T 1 Energiya deformaciyi ps J m e e l 2 t r 2 e displaystyle psi J mu varepsilon varepsilon frac lambda 2 mathrm tr 2 varepsilon de tr slid m l displaystyle mu lambda koeficiyenti Lame yaki mozhna znajti za dopomogoyu moduliv Yunga k displaystyle k ta Puasona v displaystyle v m k 2 1 v l k v 1 v 1 2 v displaystyle mu frac k 2 1 v quad quad lambda frac kv 1 v 1 2v Sili elastichnogo tila viznachayutsya yak divergenciya tenzora naprug f P displaystyle f nabla cdot P Programne zabezpechennya dlya modelyuvannya GZCh oflajnovij fizichnij rushij priznachenij dlya vikoristannya v galuzi komp yuternoyi grafiki animaciyi ta specefektiv yakij vikoristovuye GZCh FLUIDS v 1 13 chervnya 2009 u Wayback Machine prosta vilna licenziya zlib trivimirna realizaciya GZCh u rezhimi realnogo chasu dlya ridin napisana na C vikoristovuye dlya rozrahunkiv CPU ta GPU en vilno dostupnij kod dlya kosmologichnih simulyacij N body GZCh vilno dostupnij instrument dlya vizualizaciyi GZCh modelej SPHysics 14 serpnya 2012 u Wayback Machine realizaciya GZCh z vidkritim sircevim kodom napisana na Fortrani vilna sistema abstrakciyi yaka pidtrimuye fizichni rushiyi realnogo chasu z pidtrimkoyu GZCh Pasimodo 13 lyutogo 2012 u Wayback Machine programnij pakunok dlya metodiv modelyuvannya sho bazuyutsya na chastinkah vklyuchno z GZCh ZastosuvannyaBagato fizichnih modelej rozglyadayutsya yak ridina Napriklad Nils Bor rozglyadav atom yak kraplyu vodi Prikladom yakij pidtverdzhuvav bi modelyuvannya realnoyi materiyi idealnoyu ridinoyu ye aproksimaciya neskinchenno protyazhnoyi yadernoyi materiyi yaka bere uchast u elektromagnitnij ta yukavskij vzayemodiyah izotropnoyu ridinoyu Neobhidnoyu umovoyu dlya takogo modelyuvannya ye dostatno visoka shilnist barioniv Todi vdayetsya znajti vidpovidnist mizh shilnistyu barioniv r displaystyle rho shilnistyu yadernogo kondensatu s displaystyle sigma serednoyu masoyu barioniv M displaystyle bar M j makroskopichnimi harakteristikami ridini energiyeyu ϵ displaystyle epsilon j tiskom P displaystyle P virazivshi P P r s M displaystyle P P rho sigma bar M ta ϵ ϵ r s M displaystyle epsilon epsilon rho sigma bar M a shvidkist v m displaystyle textbf v mu pov yazati iz strumenem barioniv J m displaystyle J mu f P displaystyle f nabla cdot P Do harakteristik barioniv vhodit takozh spin tomu taka ridina povinna buti spinovoyu tak zvana ridina Vejsenhoffa Raabe SPH zastosovuyetsya dlya modelyuvannya formuvannya strukturi Vsesvitu j rozrahunkiv yaki vidnosyatsya do evolyuciyi galaktik j galaktichnoyi dinamiki Takozh SPH znahodit zastosuvannya u balistici PrimitkiDan Koschier Jan Bender Barbara Solenthaler Matthias Teschner Smoothed particle hydrodynamics techniques for physics based simulation of fluids and solids W P Lin Y P Jing S Mao L Gao I G McCarthy The influence of baryons of the mass distribution of dark matter halos Div takozhMetod materialnoyi tochkiPosilannyaPersha velika simulyaciya utvorennya zirok z vikoristannyam GZCh 23 kvitnya 2013 u Wayback Machine SPHERIC SPH European Research Interest Community sajt Italijskoyi teoretichnoyi virtualnoyi observatoriyi stvorenij dlya zapitiv do bazi danih arhivu chislovogo modelyuvannya SPHC Image Gallery 16 lyutogo 2012 u Wayback Machine pokazuye shirokij spektr testovih vipadkiv eksperimentalnih perevirok ta komercijnih zastosuvan GZCh J J Monaghan An introduction to SPH Computer Physics Communications vol 48 pp 88 96 1988 Impact Modelling with SPH Stellingwerf R F Wingate C A Memorie della Societa Astronomia Italiana Vol 65 p 1117 1994