In this study, a smoothed particle hydrodynamics (SPH) model that applies a segment-based boundary treatment is used to simulate natural convection. In a natural convection simulated using an SPH model, the wall boundary treatment is a major issue because accurate heat transfer from boundaries should be calculated. The boundary particle method, which models the boundary by placing multiple layers of particles on and behind the wall boundary, is the most widely used boundary treatment method. Although this method can impose accurate boundary conditions, boundary modeling for complex shapes is challenging and requires excessive computational costs depending on the boundary shape. In this study, we utilize a segment-based boundary treatment method to model the wall boundary and apply this method to the energy conservation equation for the wall heat transfer model. The proposed method solves the problems arising from the use of boundary particles and simultaneously provides accurate heat transfer calculation results for the wall. In various numerical examples, the proposed method is verified through a comparison with available experimental results, SPH results using the boundary particle method, and finite volume method (FVM) results.


翻译:本研究采用一种基于分段边界处理的平滑粒子流体动力学(SPH)模型来模拟自然对流。在使用SPH模型模拟自然对流时,壁面边界处理是一个关键问题,因为需要精确计算来自边界的传热量。边界粒子法通过在壁面边界上及其后方布置多层粒子来建模边界,是目前最广泛使用的边界处理方法。尽管该方法能够施加精确的边界条件,但对于复杂形状的边界建模较为困难,且根据边界形状不同会需要过高的计算成本。本研究中,我们采用基于分段的边界处理方法对壁面边界进行建模,并将该方法应用于壁面热传递模型的能量守恒方程。所提出的方法解决了使用边界粒子时产生的问题,同时能够为壁面提供精确的传热计算结果。在多个数值算例中,通过与可获得的实验结果、采用边界粒子法的SPH结果以及有限体积法(FVM)结果进行对比,验证了所提出方法的有效性。

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