液舱晃荡与浮体运动耦合的二维与三维SPH模拟影响研究

采用DualSPHysics开源代码对矩形液舱晃荡过程中的砰击载荷及强非线性流固耦合现象进行了模拟,通过检验与验证分析证明了论文SPH求解器的准确性,并对不同方法的模拟结果进行了基准性研究。通过对菱形液舱内晃荡流动的模拟,研究了不同装载高度工况下二维与三维模拟对于舱壁砰击压力和晃荡流动的影响。最后针对载液浮箱在波浪中运动的内外域流动耦合问题进行模拟,分析了浮体运动和液舱晃荡二维与三维模拟结果的差异。研究表明,三维模拟中由于流场存在沿液舱宽度方向的运动分量,使得二维与三维液舱晃荡结果存在一定的差异,且低载液率工况的结果差异更大。     

规则波与浮式防波堤相互作用的SPH模拟研究

相较于传统防波堤，浮式防波堤因具有方便安装、可实现水质交换、可在多种环境下施工以及可移动等优点得到了广泛发展。采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法，研究规则波与浮式防波堤的相互作用。首先在空水槽中基于规则波传播算例进行粒子间距的收敛性分析，然后基于验证的水槽模型模拟规则波与单浮体、双浮体的相互作用，并分析了浮体前后波形、浮体的运动及浮体附近的流速场。结果表明，双浮体防波堤相比单浮体防波堤能够显著提升消波性能。     

SPH数值模拟中边界处理方法及对比分析

将SPH方法应用于流一固耦合计算中,提出了1种新的直接求解边界压力的方法.并总结了其他4种固定边界处理方法,并详细阐述了不同边界处理方法的优缺点.将该方法与其他两种方法进行了对比,运用此3种直接求解边界压力的方法对静水压力随水深变化情况以及水坝坍塌对结构物的冲击压力进行了计算.数值模拟结果表明,3种方法在处理固定边界条件上都是行之有效的.     

基于SPH方法的水下爆炸初始爆轰过程研究

炸药的水下爆炸具有极大的变形和高度的非均匀特性,基于网格的数值模拟方法研究这类问题时遇到诸多困难,将最近发展起来的无网格的光滑粒子流体动力学(SPH)应用到炸药的水下爆炸初始爆轰过程的研究。从模拟结果可知,应用SPH方法能较好地预测出爆轰波的大小和形状以及在爆轰过程中的压力分布。SPH方法非常适宜处理炸药的水下爆炸极短瞬时所具有的大变形和高度的非均匀动力学的极端情形,这对进一步模拟水下爆炸过程提供了一种新的研究方法。     

SPH中改进无网格插值方法比较和精度分析

In the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, a meshless interpolation scheme is needed for the unknown function in order to discretize the governing equation. A particle approximation method has so far been used for this purpose. Traditional particle interpolation (TPI) is simple and easy to do, but its low accuracy has become an obstacle to its wider application. This can be seen in the cases of particle disorder arrangements and derivative calculations. There are many different methods to improve accuracy, with the moving least square (MLS) method one of the most important meshless interpolation methods. Unfortunately, it requires complex matrix computing and so is quite time-consuming. The authors developed a simpler scheme, called higher-order particle interpolation (HPI). This scheme can get more accurate derivatives than the MLS method, and its function value and derivatives can be obtained simultaneously. Although this scheme was developed for the SPH method, it has been found useful for other meshless methods.     

光滑质点流体动力学(SPH)及其算法特性

基于Lagrange观点的无网格方法计算是建立在一群可移动的自适应性的质点基础之上,对特大变形区域和自由表面的捕捉有着较高的精度.光滑质点流体动力学(SPH)是无网格方法的一种,本文阐述其理论基础和计算方法,主要包括:SPH的基本概念、核近似和粒子近似的基本原理,核函数的构造方法、SPH形式的流体运动方程、边界处理方法和数值算例等多方面内容.研究工作在了解SPH方法的理论特点和潜在优势的同时,也为相关问题的深入研究和改进奠定了理论和算法基础.     

基于SPH方法的航道拓宽滑坡研究

航道受船行波的冲刷或者在拓宽过程中会发生滑坡现象。基于DP屈服准则和理想弹塑性理论,推导了滑坡体的应力应变关系。在此基础上,利用SPH（光滑粒子流体动力学）方法,研究具有不同高长比的滑坡体的堆积形态。采用两个无量纲参数表征在高度和长度方向上的堆积形态,并和经验公式对比验证模型的准确性。在相同截面积条件下研究高长比对滑坡体外轮廓线的影响。研究结果表明：1）在该描述框架下的无量纲参数与文献中的计算值吻合较好;2）随着高长比的增大,坡体的屈服区逐渐变大,但滑坡体堆积的外轮廓线并没有太大的差异。     

波浪爬高的PSPH方法数值模拟研究

通过Poisson方程迭代求解压力场的SPH方法,建立了模拟水波动力学问题的数值模型,将亚格子湍流模式加入方程中,更加精确地描述了波浪破碎时的湍流特性。针对SPH方法中粒子靠近边界处由于粒子缺失导致核函数的截断而引起计算误差,将核函数梯度修正引入了数值计算模型中。同时提出一种新的边界压力计算方法,改善了边界压力计算的精度。对孤立波及椭余波在斜坡上的爬坡破碎过程进行了数值模拟,数值结果与实验结果吻合较好。表明该方法在对复杂水波动力问题的数值模拟上是行之有效的。     

黄河冰凌近期研究简述与展望

  目的  针对黄河在冬季易结冰而造成冰凌灾害问题,对黄河破冰船的冰阻力进行数值预报。  方法  首先,基于光滑粒子流体动力学（SPH）计算方法建立船−冰−水耦合数值模型,该模型包括SPH方法中冰的本构方程、屈服准则以及耦合模型的实现过程;然后,采用该数值方法对不同工况下破冰船的冰阻力进行预报分析。  结果  结果显示,在平整冰情况下,冰阻力的预报精度与经验公式间的误差小于17.6%;破冰船的冰阻力随弯曲强度和冰厚的增加而增大,其中冰层厚度是影响冰阻力最主要的因素。  结论  所提的船−冰−水耦合SPH方法能够对实际黄河河道中破冰船的冰阻力进行有效预报,可为黄河破冰船的实际操作提供参考。     

张力缆系泊浮体的数值波浪水槽时域模拟

为了能够快速真实地模拟波浪与张力缆系泊浮体相互作用问题,基于二维边界元格式建立了线性条件下的数值波浪水槽,并以此为基础对张力缆系泊浮体与波浪相互作用问题进行了时域数值模拟。张力缆的作用以系泊刚度的形式表达。与其他学者的相关研究结果对比表明该计算程序是可靠的,该方法可以为相关海洋工程的设计研究提供有利的参考。     

基于SPH模型的2种压力振荡抑制算法比较分析

  目的  传统光滑粒子流体动力学（SPH）方法在模拟包含自由液面的水动力学问题时存在流场压力振荡。为了选取有效的算法来抑制压力振荡,对比分析密度正则化和密度耗散项这2种密度耗散算法对压力振荡的抑制效果。  方法  采用波高探测程序定量比较流动形态,并考虑运动速度对2种算法的影响。针对二维矩形液舱中的晃荡问题,考虑在不同的角速度情况下,选取流场中的压力和波面高度变化综合评判2种算法的效果。  结果  通过比较后发现,密度耗散项算法在耗散系数取为0.05时在不同的角速度情况下,均能有效抑制压力振荡,获得更稳定的流场压力和波面形态;当角速度较小时,密度正则化算法的结果较差。在角速度高的晃荡问题中,2种SPH算法对抑制压力振荡的效果基本持平。  结论  该结论具有一定的工程借鉴价值。     

溃坝模拟的光滑粒子流体动力学方法及其粘性特性

Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian meshless particle method. It is one of the best method for simulating violent free surface flows in fluids and solving large fluid deformations. Dam breaking is a typical example of these problems. The basis of SPH was reviewed, including some techniques for governing equation resolution, such as the stepping method and the boundary handling method. Then numerical results of a dam breaking simulation were discussed, and the benefits of concepts like artificial viscosity and position correction were analyzed in detail. When compared with dam breaking simulated by the volume of fluid (VOF) method, the wave profile generated by SPH had good agreement, but the pressure had only reasonable agreement. Improving pressure results is clearly an important next step for research.     

基于SPH方法的水下接触爆炸数值模拟

水下爆炸涉及的物理现象极其复杂,特别是水下接触爆炸数值模拟极为困难.文章编制了基于体积近似的修正SPH方法计算程序,成功模拟了水下接触爆炸冲击波传播和结构破坏的整个过程.文中通过模拟圆柱形装药对水中结构的破坏,发现了钢结构的破坏模式、背空钢板处冲击波的传播特性.结果表明,修正SPH方法在高密度比介质的交界面处仍能反映基本的物理过程,在解决高速、强压缩和高密度比的多相流问题时具有较大优势.该文计算结果旨在为舰船水下接触爆炸相关研究提供参考.     

基于SPH方法的连续式破冰数值模拟

根据海冰的力学性质,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立海冰本构模型,模拟冰锥实验并与实验结果对比,对冰材料模型准确性进行验证.利用显式动力分析软件LS-DYNA模拟破冰船连续式破冰,得到了海冰的损伤变形和破冰阻力,同时研究了船舶航速和海冰厚度等参数对冰载荷的影响.分析研究表明:应用SPH方法建立的海冰模型能够真实的反映海冰的力学性能,对连续式破冰过程实现较为准确的模拟,为船冰碰撞的数值模拟提供了新思路.     

考虑涡泄模式的低质量比圆柱涡激运动数值模拟

本文与经典实验进行对比,对二维圆柱在不同来流速度下的涡激运动进行研究。将运动系统简化为质量(m)-弹簧(k)-阻尼(ζ)系统,分析浮式圆柱运动的控制方程并通过4阶Runge-Kutta法求解运动微分方程,借助UDF编程嵌入到Fluent求解器中进行求解,结合动网格技术实现流固耦合,对比Jauvtis和Williamson的经典实验以验证数值模拟的可靠性,再现了SS,2S,2T和2P的涡泄模式。虽得到了与Jauvtis和Williamson物理模型实验相近的一些典型结果,没有做更进一-步的研究,但通过实验数据与数值模拟的对比,能够区别研究相同质量比下其他不同参数对涡激运动特性的影响。对m^*=1的浮式圆柱与低质量比圆柱m^*-2.6进行涡激运动数值模拟研究对比,发现不同约化速度下对运动频率、涡泄模型等涡激运动特性均有不同程度的影响。     

考虑螺旋桨体积力的水下机器人水动力特性仿真

为在初步设计时预测ROV的水动力性能,使用CFD技术进行分析,以ROV模型为例,最大程度地保留ROV内部的构件,使模型更加接近真实状况。分别计算ROV在不同工况下的阻力、不同漂角下的横向力和转艏力矩以及添加体积力模型之后的螺旋桨流场状况,很好地模拟出ROV周围的流场,并与已有的试验数据进行对比。结果验证了CFD水动力仿真的可行性和准确性,并还可预测ROV在螺旋桨作用下的进速等,对ROV设计具有实际的参考价值和指导意义。