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2025年11月14日，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PSL》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，重点说明其面向自由面、多相流等复杂工业问题的能力。报告围绕软件架构、核心算法、并行计算技术和工程应用案例展开，展示其在海洋工程、化学工程、航空航天、汽车涉水和流体机械等场景中的仿真效果。
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，依托二十余年粒子法研究积累和相关基金支持形成当前软件版本。
2. PSL软件定位与基础特点（01:31）
软件PSL由团队自主研发，面向涉及自由面、多相流等复杂工业问题。粒子法不同于传统网格法，不需要复杂网格变形，是完全拉格朗日方法；软件基于MPS等粒子方法并扩展功能，采用C++开发，并引入MPI和OpenMP混合并行，已能实现千万级并行计算，预期面向更大规模计算。
3. 软件模块与用户流程（03:11）
软件提供较人性化的用户界面，核心包括预处理、前处理、求解和后处理模块。它可导入STL或点云等模型文件，将几何与参数自动离散为粒子模型；求解模块强调负载均衡和并行求解，并包含表面张力、传热相变、流固耦合等物理模型；后处理可进行粒子、球点和矢量网格渲染，也可输出到Tecplot、ParaView等软件。
4. 粒子离散与边界算法（04:49）
前处理采用基于有符号距离场的通用高效粒子离散方法，可将复杂原始模型转为较均匀、高精度的粒子模型，并提出粒子质量评价体系以降低误差。团队还提出通用光滑壁面模型、对称边界条件、高精度边界粒子迁移方法和压力进出口边界模型，用于改善特殊边界、自由面核截断和压力边界施加等问题。
5. 自适应局部加密方法（07:09）
针对粒子法计算效率问题，团队开发了局部精度可调的VSP算法，可对相界面和固体表面自动追踪加密，使粒子自动分裂与融合。该方法在保持质量和动量守恒、降低粒子分裂扰动的同时，提高重点区域的计算精度。
6. 表面张力模型（08:31）
软件加入气液、液液和固液等不同表面张力模型。液体表面张力通过粒子势能视角施加，具有较好稳定性并可模拟复杂扭曲流动结构；固液模型可处理接触角并与理论结果吻合；气液模型可稳定模拟单个气泡变化和多个气泡聚并。
7. 多物理耦合模型（09:51）
软件包含基于MPS与DEM结合的流固耦合模型，可处理挡板等普通流固耦合和沙体等多体固体粒子流动。还加入扩散流动模型，可考虑密度、黏性随浓度变化的耦合，并模拟溶解自然对流；气液两相流模型在保持尖锐界面的情况下实现高精度耦合，并引入移动网格方法实现粒子与网格表达转换。
8. 传热、相变与后处理能力（11:54）
软件建立了传热模型和气液相变模型，可模拟自然对流、沸腾、冷凝以及冷凝气泡溃灭回弹。结冰相变也可处理，例如液滴在冷板上逐渐结冰；软件内置后处理可将粒子点渲染为接近真实流体的状态，也可转换为网格输出到其他软件处理。
9. 并行计算与大规模框架（13:00）
软件采用动态区域分解进行分布式并行和负载均衡。以溃坝撞击障碍物算例为例，八次动态分解相比静态分区可减少六成以上耗时；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，支持跨不同CPU或GPU并行，并已能较快完成数百万粒子计算。
10. 工程应用案例（14:36）
软件已应用于多个领域：海洋工程中模拟拖曳阵受缆绳、海浪和浮力等约束的运动；化学工程中模拟液体分散、表面浸润和不同亲疏水布置；化工设备中模拟球阀开闭和水锤现象；航空航天中模拟双股射流雾化、液体火箭发动机喷注混合、液滴撞击异形并结冰；汽车领域可进行整车涉水三维模拟；流体机械中用于真实型号氧泵内部流动和轴向力预测。
11. 合作邀请（19:20）
报告最后表示，如果听众对团队或相关工作感兴趣，或有合作意向，可以联系报告人。
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，并希望节省介绍时间以便留出更多讨论学习时间。
00:49 - 报告人自我介绍，并说明报告将介绍团队研发的无网格粒子法CFD仿真软件及团队背景。
01:31 - 报告进入软件总体介绍，说明PSL的自主研发定位、适用问题、粒子法优势、并行能力和主要软件组成。
03:11 - 报告介绍软件使用流程和功能模块，包括模型导入、粒子化建模、并行求解、物理模型和后处理接口。
04:49 - 报告转入核心算法，依次说明粒子离散、壁面处理、对称边界、边界迁移、压力进出口和自适应局部加密等方法。
08:31 - 报告介绍多类物理模型，包括表面张力、流固耦合、扩散流动、气液两相流、传热相变和结冰等。
13:00 - 报告介绍并行技术，重点说明动态区域分解、负载均衡、加速效果以及正在开发的大规模混合并行框架。
14:36 - 报告展示软件在海洋工程、化学工程、化工设备、航空航天、汽车涉水和流体机械中的应用案例。
19:20 - 报告结束，报告人邀请对团队工作感兴趣或有合作意向的听众联系交流。
AI 延伸阅读(下文由AI生成，其内容可能存在偏差，请注意甄别)：
西安交大团队在深圳核博会介绍自主无网格粒子法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作题为《无网格粒子法软件PSL》的主旨报告，系统介绍了团队在无网格粒子法计算流体力学软件研发、核心算法突破、并行计算能力建设以及多领域工程应用方面的最新进展。
据介绍，PSL可理解为“粒子实验室”，是一款面向自由面、多相流、复杂界面变形等工业CFD问题的自主研发软件。与传统基于网格的数值方法相比，粒子法属于完全拉格朗日方法，不依赖复杂网格变形，因此在处理大变形、自由液面、多相耦合和复杂界面演化等问题时具有独特优势。该软件由西安交通大学团队自主开发，主要采用C++编写，并融合MPI与OpenMP混合并行技术，以提升大规模计算效率。
PSL软件研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，已积累二十余年粒子法研究基础。软件研发获得国家自然科学基金青年基金、面上项目、优秀青年项目等支持，并已上线国家超算互联网平台，在相关应用中取得较好排名。目前，PSL已具备千万级粒子并行计算能力，团队未来目标是进一步发展至百亿量级计算规模，以支撑更加复杂的工业级流动仿真需求。
在软件架构方面，PSL已形成较完整的功能体系，涵盖核心算法库、预处理、前处理、求解和后处理等模块。其核心算法库包含粒子离散、边界处理、表面张力、流固耦合、传热相变、多相流等多类物理与数值模型；预处理模块支持导入通用STL文件、点云或网格模型，并将复杂几何转化为适合粒子法计算的模型；前处理模块可根据任务类型和计算参数自动设置边界条件，并将面网格或几何模型离散为粒子模型；求解模块通过负载均衡与并行计算高效求解系数矩阵，并支持多物理场耦合计算；后处理模块则可实现粒子点、矢量场、网格化渲染等可视化处理，也可导出至Tecplot、ParaView等常用后处理软件。
围绕复杂几何建模与高精度计算需求，团队发展了基于有符号距离场的通用粒子离散方法，可生成较均匀、高精度的粒子模型，并建立粒子质量评价体系以降低离散误差。针对传统粒子法在边界附近力学表达不够准确的问题，团队提出通用光滑壁面模型，使软件能够处理复杂变形和扭曲壁面；对于具有对称性的计算对象，软件还可通过对称边界条件减少计算区域，从而降低资源消耗并提升计算效率。
在自由面和边界计算方面，PSL针对核截断导致的粒子空间离散误差，提出高精度粒子迁移方法，使大变形问题中的压力场更加平滑、准确。针对拉格朗日粒子法中压力进出口边界难以准确施加的问题，团队提出一阶精度边界模型，并通过泊肃叶流动算例验证了其速度场与压力场计算结果。软件还引入自适应局部加密算法VSP，可对相界面、固体表面等关键区域进行自动追踪加密，通过粒子分裂与融合提升局部计算精度，同时保持质量和动量守恒。
在物理模型方面，PSL已覆盖气液、液液、固液等不同类型表面张力模型，可模拟液滴拉伸、复杂界面结构、接触角效应和气泡并合等现象。基于MPS与DEM结合的流固耦合模型，软件可用于模拟挡板受流体冲击、多体颗粒运动、沙体流动等问题；扩散与浓度耦合模型则支持溶质扩散以及密度、黏性随浓度变化的耦合过程，可用于溶解过程中的自然对流模拟。针对气液两相流，软件可在保持尖锐界面的基础上实现高精度气液耦合，并引入基于拉格朗日思想的移动网格方法，实现粒子表达与网格表达之间的转换。
传热与相变也是PSL的重要应用方向。软件支持基于Boussinesq假设的自然对流模拟，并可处理气液相变、沸腾、冷凝、气泡溃灭回弹以及液滴结冰和融化等复杂过程。这些能力使其能够服务于核能、航空航天、流体机械、化工装备等多类涉及多相、多物理耦合的工程场景。
在并行计算方面，PSL采用动态区域分解方法实现分布式并行和负载均衡，使粒子能够更均匀地分配至不同计算核心或线程。在溃坝撞击障碍物算例中，动态分区相比静态分区可显著降低计算耗时，最高可减少约60%以上。随着计算核数增加，虽然并行效率会有所下降，但整体计算速度仍明显提升。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，以支持单节点多线程、跨CPU或GPU的并行计算。
报告还展示了PSL在多个典型工程场景中的应用。在海洋工程领域，团队与中船相关研究所合作，模拟拖曳阵在海水波浪、缆绳约束、浮体浮力等多因素作用下的运动状态，为传统理论模型提供更加直观的数值仿真手段。在化学工程中，软件可模拟液体通过网筛时在不同接触角、不同初始速度和不同亲疏水条件下的分散行为，用于研究液体分散与界面润湿调控。在喷淋散热和表面浸润问题中，PSL能够模拟喷淋液体在管路表面的浸润与散热过程，计算结果与工程预期较为吻合。
在化工设备与核电装备相关应用中，PSL可模拟球阀开启和关闭过程中的水锤现象，并开展真实三维核电球阀内部流动模拟。在航空航天领域，软件可用于双股射流分散、液体拉丝和不同粒径液滴分布模拟，相关结果与实验拍摄现象较好吻合；针对液体火箭发动机喷注问题，团队模拟了真实针栓喷注器中氧化剂与还原剂的喷射混合过程，并通过自建实验台对仿真结果进行验证。PSL还可用于飞机结冰研究，模拟液滴撞击平板或翼型前缘后的变形、拉伸、分散和结冰过程。
在车辆与流体机械领域，团队已实现约七百万粒子规模的整车三维涉水模拟，可分析不同车速下的水阻力及车体浸润情况；在液体火箭发动机真实型号氧泵内部非定常流动模拟中，PSL为轴向力预测和复杂流动机理分析提供了稳定的数值方法。韩培东表示，PSL软件已形成覆盖前处理、求解、后处理、并行计算和多领域工业应用的无网格粒子法CFD仿真体系，团队也欢迎对相关研究、软件应用及工程合作感兴趣的专家学者开展交流。
