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解析工具

液体注入模拟器

通过粒子法(SPH)实时再现液体注入容器的过程。改变重力、粘度、容器形状,可观察飞沫、下落、着水后的沉降,体验铸造充填和晃动解析的入门。

控制

粒子/帧
点击画布投放粒子
0
粒子数
0%
填充率
g=1.00 / nu=0.04
注入设置
模拟
理论·主要公式

$$v = \sqrt{2gh}$$

托里切利定理:\(h\) 为液面高度 [m],\(v\) 为流出速度 [m/s]

$$Q = C_d A \sqrt{2gh}$$

流量:\(C_d\) 流量系数(≈0.6~0.7),\(A\) 开口面积 [m²]

$$\frac{dh}{dt} = -\frac{A_{out}}{A_{tank}} C_d \sqrt{2gh}$$

槽水位时间变化:\(A_{tank}\) 槽断面积

液体注入模拟器是什么

🙋
这个模拟器里液体是一粒粒的粒子在动,这跟现实中的水运动是一样的吗?
🎓
大概来说,用粒子法(SPH)重现接近现实的运动。比如,试试调节上面的"粘性衰减"滑块。增大数值后,运动会变慢,像浓稠的油那样,对吧?这就是在重现粒子间的摩擦力(粘度)。在实务中,用这个模拟铸造时熔融金属流进模具的过程。
🙋
原来如此!但粒子为什么能聚在一起不散开呢?是那个表面的张力吧?
🎓
对,就是表面张力。本模拟器在相邻粒子间施加弱引力(内聚力)来重现它。试试把"容器形状"改成宽的盘子,"注入速度"调快。粒子会想散开,但由于引力会聚成块。自动车油箱的晃动(Sloshing)解析中,表面张力的重现特别重要。
🙋
我明白了!那容器底部粒子排列得特别紧密,是不是跟水压有关?
🎓
很敏锐!那正是帕斯卡原理——越深的地方压力越高的现象。试试调大"重力"的值,效果会更明显。SPH中,粒子密集(密度高)的地方压力高。这样,高压处向低压处产生推力(压力梯度力),成为推动流体的主要力量。现实中,大坝泄洪时的水压分布就用这个评估。

常见问题

可以。从模拟器设置面板调整粒子数(分辨率)。增加粒子数可重现更多细节,但计算负荷增加。粒子大小可通过平滑长度(影响半径)间接改变。
增大重力,液体下落快,飞溅激烈。增大粘度,液体变得像蜂蜜一样粘稠,流动缓慢。降低粘度,液体像水一样流动顺畅。
本工具面向教育和学习,重视实时可视化。定量设计验证请使用专门的CAE软件(如商用粒子法工具)。但用于理解物理趋势足够。
目前只能从预设形状(直方体、圆筒、斜坡等)选择。自由形状创建功能计划在后续更新中支持。但可通过参数调整容器大小和倾斜。

实际应用

铸造工艺模拟:预测熔融金属(铸液)在铸模中如何流动、充填。提前识别涡流、气孔(空洞)发生,减少不合格品,优化浇口位置和注入速度设计。

汽车燃料槽、油盘设计:分析车辆急加速或过弯时内部液体如何摇晃(Sloshing)。评估液体运动导致的重量转移和槽壁冲击压力,提高稳定性和耐久性。

海洋工程、船舶设计:分析恶劣海况下海水打上甲板(Green water)、船周围复杂波动影响。网格法难以追踪的自由表面大变形和飞溅,用粒子法可有效捕捉。

食品、化工工艺:模拟液体充填、搅拌过程,巧克力、番茄酱等粘性流体流动。优化产品均一性,改善容器注液行为。

常见误区与注意事项

首先,粒子数越多越好——这是大误解。确实增加粒子数提高分辨率,但计算时间按粒子数平方增长。实务中,要找到"满足精度的最小粒子数"。比如,只看容器整体流动可用粗粒子,但要捕捉细小液滴和表面张力影响,需局部细化粒子。

其次,参数设置陷阱。模拟器的"粘度"、"表面张力"滑块通常是无量纲相对值。要对应实际流体值,需要考虑缩放(相似律)。仅凭粘度滑块数值不能直接对应真实流体。实务中,用已知简单情况(如圆管内流)对比模拟结果和理论/实验值,进行"验证"来较准参数是必不可少的。

最后,初始条件的重要性。粒子均匀排成网格开始注入,与随机排列差异很大,影响初期不稳定性和最终结果。此外,注入速度设过快会导致非现实压力和飞散,计算发散。仔细观察真实过程,设置符合的初始状态是第一步。

使用指南

  1. 从重力加速度9.8m/s²(地球)或1.62m/s²(月面)选择,设定粒子法模拟基准值
  2. 在水0.001Pa·s、油0.1Pa·s、铸造砂型树脂0.5Pa·s范围内调整粘度,定义流动阻力
  3. 输入注入速率(mL/s),0.5~50范围,控制充填速度
  4. 设置最大粒子数10000~100000个,决定模拟精度
  5. 点击执行按钮,启动SPH粒子法实时流体解析

具体计算示例

铝铸造液流解析:重力9.8m/s²、粘度0.003Pa·s(1200℃铸液)、注入速率15mL/s、容器高度200mm、容器体积5000mL、粒子数50000个条件下,充填时间约333秒,最大流速约2.1m/s。晃动波最大高度约45mm,空气卷入危险区清晰可视化。

实务注意事项