2025年11月14日，西安交通大学流体机械及工程系，能源与动力工程学院PSL软件开发团队韩培东(Peidong Han)在深圳核博会材料老化与服役安全论坛发表《无网格粒子法软件PS》主旨报告。
报告介绍了西安交通大学团队自主研发的无网格粒子法CFD仿真软件PSL，面向自由面、多相流等复杂工业问题。软件结合MPS等粒子方法、并行计算、前后处理与多物理模型，已应用于海洋工程、化学工程、航空航天、汽车涉水和流体机械等场景。
关键点
1. 报告主题与团队背景（00:49）
韩佩东来自西安交通大学，报告介绍团队研发的无网格粒子法CFD仿真软件。团队由西安交通大学博士、硕士组成，在孙中国教授带领下，基于二十余年粒子法研究积累并在相关基金支持下形成当前软件版本。
2. PSL软件定位与核心特点（01:31）
软件名为PSL，定位为自主研发的粒子实验室，主要面向涉及自由面和多相流的复杂工业问题。与传统网格法相比，粒子法不需要复杂网格变形，采用完全拉格朗日方法，并在MPS方法基础上拓展了多种功能。软件使用C++开发，引入MPI和OpenMP混合并行，已能实现千万级并行计算，并上线国家超算互联网平台。
3. 软件模块与用户界面（03:11）
软件提供较易使用的用户界面，核心包括预处理、前处理、求解和后处理模块。预处理可导入STL或点云等文件，前处理可自动设置任务类型、计算参数和边界并生成粒子模型；求解模块支持负载均衡、并行求解以及表面张力、相变、流固耦合等物理模型；后处理可进行粒子渲染，也可输出到Tecplot、ParaView等软件。
4. 几何离散与边界处理算法（04:49）
前处理采用基于有符号距离场的高效粒子离散方法，可将复杂原始模型转化为较均匀、高精度的粒子模型，并提出粒子质量评价体系。针对传统粒子法在壁面、对称边界、自由面核截断和压力进出口边界等方面的问题，团队提出光滑壁面模型、对称边界条件、高精度边界粒子迁移方法和一阶精度压力边界模型，以提升压力场和边界计算准确性。
5. 自适应局部加密方法（07:09）
为提高粒子法计算效率，团队开发了VSP自适应局部精度可调算法，可对相界面和固体表面进行自动追踪加密。粒子可自动分裂和融合，并尽量保持质量与动量守恒、降低扰动，从而在关注区域提高计算精度而不显著影响整体流场。
6. 表面张力与接触角模型（08:31）
软件加入气液、液液和固液表面张力模型。液体表面张力通过粒子势能视角施加，计算稳定，并可模拟复杂扭曲流动结构；固液接触角模型与理论结果吻合较好；气液模型可稳定模拟单个或多个气泡变化及气泡合并。
7. 多物理耦合能力（09:51）
软件实现了基于MPS与DEM结合的流固耦合，可模拟挡板作用、多体固体粒子和沙体流动。还加入扩散流动模型，可考虑浓度变化引起的密度和黏性耦合；气液两相流模型可在保持尖锐界面的情况下实现高精度耦合，并通过移动网格方法支持粒子与网格表达转换。传热、沸腾冷凝、气泡溃灭回弹以及结冰和融化等相变问题也可模拟。
8. 并行计算与负载均衡（13:00）
软件采用动态区域分解实现分布式并行和负载均衡。以溃坝撞击障碍物算例为例，动态分解相比静态分区可减少六成以上耗时；增加计算核数可明显提升计算效率。团队还在开发面向异构计算平台的MPI与OpenMP多机混合并行框架，支持跨CPU或GPU并行。
9. 工业应用案例（14:36）
软件已应用于海洋工程拖曳阵预报、化学工程液体分散与表面浸润、球阀启闭及水锤、航空航天射流雾化和火箭发动机喷注混合、液滴撞击异形并结冰、整车涉水模拟，以及液体火箭发动机氧泵内部非定常流动等场景，多个结果与实验或预期吻合较好。
时间线
00:00 - 主持人介绍首位报告人为西安交通大学韩佩东老师，并尽量节省介绍时间留给报告和讨论。
00:49 - 报告人自我介绍，并说明报告将围绕西安交通大学团队的无网格粒子法CFD仿真软件展开。
01:31 - 报告先概述PSL软件的定位、研发背景、与传统网格法的差异、并行能力、上线平台及整体模块构成。
04:49 - 随后集中介绍核心算法，包括粒子离散、壁面和边界处理、局部加密、表面张力、流固耦合、扩散、两相流、传热和相变等模型。
13:00 - 报告转向并行计算技术，说明动态区域分解、负载均衡和混合并行框架对提升大规模计算效率的作用。
14:36 - 最后展示软件在海洋工程、化学工程、航空航天、汽车涉水和流体机械等领域的应用案例。
19:20 - 报告结束，报告人邀请对团队工作或合作感兴趣的听众联系交流。
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西安交大团队在深圳核博会介绍无网格粒子法CFD仿真软件PSL
2025年11月14日，在深圳核博会材料老化与服役安全论坛上，西安交通大学能源与动力工程学院流体机械及工程系PSL软件开发团队成员韩培东作《无网格粒子法软件PSL》主旨报告，系统介绍了团队自主研发的无网格粒子法CFD仿真软件“PSL（粒子实验室）”的技术体系、核心算法、并行计算能力及工程应用进展。
韩培东介绍，PSL软件开发团队主要由西安交通大学博士、硕士研究人员组成，在孙中国教授带领下，团队已在粒子法方向持续积累二十余年研究基础，相关工作得到国家自然科学基金青年基金、面上项目、优秀青年科学基金等项目支持。该软件面向自由面、多相流、大变形、流固耦合等复杂工业流动问题，采用完全拉格朗日框架，相比传统网格法，无需处理复杂网格变形，在多相界面捕捉和大尺度变形模拟中具有天然优势。
PSL基于MPS等粒子方法拓展形成，由团队自主研发并使用C++实现，已引入MPI与OpenMP混合并行技术。目前，软件可实现千万级粒子并行计算，未来目标是支撑百亿量级计算。韩培东表示，PSL已上线国家超算互联网平台，并在相关测试和应用中取得较好表现，为复杂工业流动问题提供了高效数值模拟工具。
在软件架构方面，PSL由核心算法库、算法流程规划及用户界面等部分构成，覆盖预处理、前处理、求解和后处理完整流程。软件支持导入STL、点云、网格等通用模型文件，可将复杂几何模型转化为粒子法可用的初始模型，并根据任务类型和计算参数自动设置边界与模型参数。在求解环节，PSL具备负载均衡和高效并行能力，可支持表面张力、传输扩散、相变、流固耦合等多类物理模型；在后处理环节，软件支持粒子点、矢量场和网格化渲染，可将粒子结果渲染为接近真实流体形态，并输出至Tecplot、ParaView等常用后处理平台。
围绕粒子法在复杂工程问题中的关键难点，团队发展了多项核心算法。针对复杂几何建模，PSL基于有符号距离场实现通用粒子离散，并构建粒子质量评价体系，以降低初始粒子模型误差。针对传统粒子法边界力学表达不够准确的问题，团队提出通用光滑壁面模型，可处理流固耦合中变形、扭曲等复杂壁面，并支持对称边界条件，从而提升对称问题的计算效率、降低资源消耗。
在自由面和边界核截断引起的离散误差方面，PSL引入高精度边界粒子迁移方法，使大规模变形问题中的压力场更加平滑和准确。针对拉格朗日粒子法中压力边界难以精确施加的问题，团队提出一阶精度压力进出口边界模型，并通过经典泊肃叶流动验证了速度场发展和压力场分布的准确性。软件还发展了VSP自适应局部加密方法，可自动追踪相界面和固体表面，进行粒子分裂与融合，在保证质量和动量守恒的基础上提升重点区域计算精度，同时控制整体计算成本。
在多物理场建模方面，PSL支持液液、气液、固液等不同表面张力模型。液体表面张力模型从粒子势能视角施加，计算稳定，可模拟螺旋拉伸等复杂流动结构；固液接触角模型与理论结果吻合良好；气液表面张力模型可稳定模拟单气泡、多气泡聚并及薄液膜内气体变化。软件还将MPS与DEM方法结合用于流固耦合，可模拟挡板运动、颗粒多体运动和沙体流动等问题。
针对扩散、浓度耦合及相变过程，PSL支持溶质扩散模拟，并可建立密度、黏性随浓度变化的耦合关系，用于研究溶解过程中的自然对流等现象。在气液两相流模拟中，软件可在气液密度差较大的条件下保持尖锐界面，并引入移动网格与Voronoi方法，实现粒子表达与网格表达的转换。相关气泡上升算例与标准解吻合较好，界面数值扩散较小；在溃坝等复杂算例中，软件能够同时捕捉主体水体形态和掺混小气泡。对于传热与相变问题，PSL可基于布辛涅斯克假设模拟自然对流，基于相界面换热建立气液相变传质模型，并用于沸腾、冷凝、气泡溃灭回弹、液滴结冰与融化等过程分析。
并行计算能力是PSL的重要支撑。韩培东介绍，团队采用动态区域分解实现分布式并行和负载均衡，以解决粒子分布不均导致的并行效率下降问题。在溃坝撞击障碍物算例中，动态分区较静态分区耗时减少超过60%。随着计算核数增加，整体计算效率显著提升，尽管并行效率会受到程序模块差异和粒子分配均衡性的影响。目前，团队正在开发面向异构计算平台的MPI与OpenMP多机混合并行框架，支持单节点多线程、跨CPU或GPU并行，并已能够较快完成数百万粒子规模计算。
在工程应用方面，PSL已覆盖海洋工程、化学工程、化工设备、航空航天、航空结冰、汽车涉水和流体机械等多个场景。在海洋工程领域，团队与中船相关研究所合作，开展拖曳阵预报问题模拟，综合考虑缆绳、波浪、浮体浮力等多重约束因素，相比传统公式模型可提供更直观的仿真结果。在化学工程领域，软件可模拟液体通过筛网时的分散过程，分析不同接触角、亲疏水性和初始速度对液体分散的影响，并服务于表面浸润、喷淋冷却及亲疏水布置引导液体分散等研究。
在化工设备方向，PSL可模拟球阀开闭过程中的水锤现象，支持不同开闭速度下的瞬态流动分析，并已开展真实核电球阀三维流动模拟。在航空航天方向，软件可模拟双股射流雾化及液滴分散过程，捕捉液体拉丝、不同粒径液滴分布等细节，也可用于液体火箭发动机喷注器中氧化剂与还原剂混合过程分析。团队还搭建了实验台，相关仿真结果与实验结果吻合较好。
在航空结冰领域，PSL可模拟液滴撞击异形结构后的变形、拉伸与结冰过程，并处理真实翼型前缘上的液滴分散和结冰问题，团队已与相关研究所开展合作应用。在汽车涉水领域，软件已实现约七百万粒子规模的整车三维涉水模拟，可分析不同车速下水对车辆的阻力，预测车体浸润区域和水体运动形态。在流体机械领域，PSL被用于模拟液体火箭发动机真实型号氧泵内部非定常流动，为大流量范围内轴向力预测和机理分析提供稳定数值方法。
韩培东在报告中表示，PSL软件已形成较完整的前处理、求解、后处理与并行计算体系，具备处理自由面、多相流、流固耦合、传热相变等复杂问题的能力，并已在多个工程领域形成应用案例。他同时表示，欢迎对团队研究方向和软件工程应用感兴趣的单位及个人进一步交流合作。
