一款兼容FVM+SPH方法的编程开源框架:SPHinXsys;还支持CUDA高性能加速计算!

一、项目背景

SPHinXsys是一个开源的SPH编程框架，全称为Smoothed Particle Hydrodynamics for industrial complex systems；它提供了用于物理精确模拟的C ++ API，并旨在通过SPH（光滑粒子流体动力学）（一种使用粒子离散化的无网格计算方法） 对包括流体，固体，多体动力学等在内的耦合工业动态系统进行仿真和智能优化。

该编程框架所有的计算公式都基于统一SPH框架，因此对所有物理过程都实现了强耦合，且可以同时进行模拟和优化。目前该框架已经具备如下功能：

1.1 统一的多物理场建模

采用通用的数值离散方法，所有物理模型均采用SPH方法进行离散。 因此，实现了所有连续介质物理的整体耦合。

• 流体动力学，包括多相流
• 固体动力学，包括线性和薄结构模型
• 流固耦合（FSI）
• 耦合多体动力学（通过SIMBody库https://simtk.org）
• 热力学，扩散和反应
• 组织，肌肉和电生理建模

通常，在连续介质力学中，我们根据介质的变形程度将其分为三种类型：

• 第一种是刚性固体，其特征是具有均匀的平动速度和角速度。
• 第二种是弹性固体，其特征是具有规则的速度场和由变形引起的应力。
• 第三种是流体，其特征是由速度梯度引起的应力。

在SPHinxSys中，所有介质都被建模为SPH（光滑粒子流体动力学）Body。每一个Body由一组SPH粒子组成。如下流固耦合问题：

请注意，一个SPH固体物体可能由多个组件组成。如上图所示，壁面墙体由两个刚性固体组件构成，而流场中的嵌入物则由一个刚性和一个弹性固体组件组成。SPH算法用于离散化连续介质力学方程，并计算粒子的动力学行为，即它们的轨迹、速度和加速度。

• 流体动力学方程的离散化算法基于弱可压缩流体公式，该公式适用于不可压缩流动问题以及低马赫数（小于0.3）的可压缩流动问题。
• 固体动力学方程则通过全拉格朗日公式进行离散化，该公式适合研究涉及线性和非线性弹性材料的问题。
• FSI（流固耦合）耦合算法采用运动学-力方式实现，其中固体结构表面既描述了材料界面，同时又承受着由流体压力和摩擦所产生的表面力。
• SPHinxSys同样采用运动学-力方式将刚体与弹性固体和流体进行耦合，在此过程中，刚体在承受来自弹性固体和/或流体的作用力的同时，其自身及其相互作用（由Simbody库处理）决定了其粒子的位置和速度。

1.2 材料模型

• 流体，包括弱可压缩流体（牛顿和Oldroy-B）和完全可压缩流体
• 固体，包括线性弹性固体，具有Neo-Hookian模型和各向异性肌肉模型的非线性弹性固体
• 扩散与反应模型

1.3 高性能计算

SPHinXsys使用数组结构（SoA），并引入了粒子排序。 由于缓存友好的设计，此类技术导致计算效率的显着提高

• 定义了一种新的广义粒子数据类，通过该类可以轻松添加任何基于方法的变量，而无需修改粒子类以提高数据重用性和效率
• 对包含复杂FSI和多体动力学的振荡浪涌转换器（OWSC）进行的波相互作用的数值模拟表明，借助新的数据结构， SPHinXsys不仅能够准确预测复杂的动力学，而且还显示出优化的性能。 通过CPU成本分析，并与商业软件包ANSYS FLUENT和其他基于SPH的求解器进行比较，展现了的优越计算性能。

二、Linux编译/运行SPHinXsys

在Windows安装尝试了一下，存在较多的三方库编译问题，最好是直接在Linux系统下编译运行。但是据官方介绍其源码需要在原生Linux系统才支持运行CUDA版本的程序，WSL2暂时不支持完全的统一内存。

2.1 安装依赖库

依次安装如下必须的依赖库：

sudo apt updatesudo apt upgradesudo apt install -y apt-utils           # package management related utility programssudo apt install -y build-essential     # GCC compilation development suite and Makesudo apt install -y curl zip unzip tar  # when starting on a barebone Ubuntu image for bootstrapping vcpkgsudo apt install -y pkg-config          # for installing libraries with vcpkgsudo apt install -y gitsudo apt install -y cmakesudo apt install -y ccache              # ccache is a compiler cache. It speeds up recompilation by caching previous compilationssudo apt install -y python3-devsudo apt install -y gfortransudo apt-get install autoconf automake autoconf-archive

如果需要调试代码，可安装gdb：sudo apt install -y gdb。

2.2 安装三方库

如下三方库是项目SPHinXsys直接依赖的包，官方建议采用vcpkg来进行三方库的管理：

cd$HOMEgit clone -b 2024.11.16 https://www.github.com/microsoft/vcpkg.gitcd vcpkg./bootstrap-vcpkg.sh./vcpkg install --clean-after-build \    eigen3                          \    tbb                             \    boost-program-options           \    boost-geometry                  \    simbody                         \    gtest                           \    pybind11                        \    spdlog

上述安装过程需要网络较好，否则某些安装包下载可能会失败。如果要单独安装到特定位置，每个库可以自行下载源码进行编译特定版本，具体可参考博客：Linux下SPHinXsys源码编译安装及使用-CSDN博客。

2.3 编译项目SPHinXsys

cd$HOMEgit clone https://github.com/Xiangyu-Hu/SPHinXsys.git sphinxsyscd sphinxsys && mkdir -p build && cd buildcmake   -G "Unix Makefiles"                                                         \        -D CMAKE_BUILD_TYPE=Release                                                 \        -D CMAKE_C_COMPILER=gcc -D CMAKE_CXX_COMPILER=g++                           \        -D CMAKE_TOOLCHAIN_FILE="$HOME/vcpkg/scripts/buildsystems/vcpkg.cmake"      \        -D CMAKE_C_COMPILER_LAUNCHER=ccache -D CMAKE_CXX_COMPILER_LAUNCHER=ccache   \        -S ../                                                                        cd build && cmake --build .# 其中-D CMAKE_TOOLCHAIN_FILE="$HOME/vcpkg/scripts/buildsystems/vcpkg.cmake"# 可链接到刚才安装的三方库

这个编译过程相当的久，建议从项目根目录下的CMakeLists.txt控制具体要编译的测试案例，否则要等很久。项目也主要是将公用基础组件编译成静态库，再利用测试案例链接到静态库。另外需要注意的是，由于我是在WSL2中进行编译的，没有进一步安装SYCL，所以CUDA版本的测试程序会出现编译问题，可直接放弃该测试案例的编译。

2.4 运行测试案例

整个利用GoogleTest构建了测试集，可直接运行ctest来执行所有测试案例：

cd$HOMEcd sphinxsys/buildctest -j 1

运行单个测试案例（二维圆柱绕流）：

cd$HOMEcd sphinxsys/build/tests/2d_examples/test_2d_flow_around_cylindermake -j 4 cd bin./test_2d_flow_around_cylinder

生成的结果就在build/tests/.../bin对应目录下，可用paraview可直接打开output内的文件进行可视化：

在项目SPHinXsys中不同的几何域会构建不同的Block，所以会存在一个CylinderBlock和WaterBlock，直接打开：

粒子域分布如下，我已经加密了流体分布：

三维的溃坝流动案例，感觉效果还是不错，粒子在边界处的处理也没有出现穿越壁面或者消失的情况。而且阻挡物弹性薄板并没有出现直接断裂或者粒子溃散掉的情况，值得探索。

计算过程可以发现，其粒子流动时间步长采用了自适应原则，这与我之前探索的想法一致，粒子间的间隔变化明显，必须要基于粒子相对距离对时间步长进行调整。最后一列是固体弹性薄板形变的时间步长，相当于这个案例流固一套程序直接一起耦合计算，结果如下：