基于SPH方法的二维宽顶堰溢流数值模拟

光滑粒子水动力学方法(SPH)是一种基于纯拉格朗日思想的无网格粒子方法,在众多科学和工程领域得到了初步应用。采用SPH方法对二维宽顶堰溢流进行了数值模拟,并利用机群进行并行计算来提高计算效率,将模拟数据与试验数据进行了对比。结果表明,SPH方法可以模拟出二维宽顶堰自由出流和淹没出流时水流流态、水跌、回流区、水跃现象,计算出溢流流量、流速等水力参数,并且采用数据拟合得出与理论相符的断面流速分布图。结果表明了SPH方法可以较好模拟二维宽顶堰溢流中的流速分布以及水面曲线。     

二维矩形水槽晃荡过程的SPH方法模拟

新型LNG船的液仓内液体晃荡涉及非线性自由表面大变形运动.针对容器的运动所激发的内部流体的强迫晃荡问题,该文运用光滑质点水动力学(SPH)方法对二维矩形水槽的纵荡过程和纵摇过程进行了数值模拟.纵荡过程中边界处的自由液面高度的时间历程曲线与前人的结果相比符合较好,结果还显示了当激励频率接近容器一阶固有频率时出现了对容器上边界的砰击和自由水面的破碎现象,并分析了砰击作用对计算的影响;同时考虑纵荡和纵摇激励时,模拟表明当相位相同时波面的运动幅度最小,而相位差为180度时波面的运动幅度最大,并且其综合效果是非线性的.     

用LEVEL SET方法计算溃坝波的传播过程

溃坝波的数值模拟在于正确地计算坝体溃决后上下游水面的迅速变化过程。本文研究了近年发展起来的求解两种流体界面的Level Set方法及其在具有自由表面的水动力学问题中的应用。对不同底坡上的二维溃坝波进行了计算，取得了和实验资料符合良好的结果。     

基于SPH方法的自由水面溢流过程开边界数值模拟

SPH方法是近年发展起来的流体数值模拟的一种新方法.目前,SPH方法流体模拟主要是经典的激波、Poiseuille流、Couette流、腔内剪切流及像溃坝一样的自由表面流动.均属于初始给定所有粒子的闭边界数值模拟.该文依据SPH方法,采用周期运动边界,实现了溢流坝自由表面流开边界数值模拟.计算水面线与物模实测结果吻合较好.     

孤立波浅化过程的SPH数值模拟

本文应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了二维数值波浪水槽,研究了孤立波沿斜坡的传播、变形和破碎过程。通过数值计算分析了波浪沿斜坡传播过程中自由表面的变化特征,给出了斜坡上不同位置处波面变化的历时曲线,并应用文献记录的试验结果对数模结果进行了验证。得到了波高的沿程变化趋势、破波点的位置和破碎波高以及不同破碎形态下波浪自由表面的变化特征,显示了SPH方法在处理较复杂自由表面流动问题方面的优越性。     

基于MLSPH方法的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynam ics,简称SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法。SPH方法在解决自由表面流动问题时具有明显的优势,但同时也出现了计算精度低和稳定性较差的缺点。利用移动最小二乘SPH方法对自由移动粒子的密度进行周期性修正,模拟了二维溃坝自由表面流动,并将结果与传统SPH方法的模拟结果相比较。结果表明,移动最小二乘SPH方法降低了压力振荡,提高了计算精度,从而验证了此方法的有效性。     

液滴冲击固体表面的光滑粒子动力学模拟

液滴冲击固体表面的现象广泛地存在于自然界和工业生产中,深入研究液滴冲击固体表面现象对环境工程、微纳米工程以及医药工程等领域有着十分重要的指导作用.该文采用光滑粒子动力学方法(SPH)对液滴冲击固体表面的现象进行了数值模拟.SPH方法是一种纯拉格朗日形式的无网格粒子方法,可以很容易的处理大变形、可变形边界、追踪自由表面以及运动界面.为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性,该文在传统SPH方法的基础上对粒子方法中的核梯度进行了修正,采用粒子间相互作用力的形式来模拟表面张力,应用改进的SPH方法对液滴冲击固体表面进行了数值模拟.计算结果表明,改进的SPH方法能够精细地描述液滴冲击固体表面所产生的铺展和飞溅等动力学特性,得到了稳定精确的结果,数值模拟结果与实验观察结果吻合较好.     

SPH方法在自由面问题中的应用

作为无网格粒子法,SPH法在处理大变形、自由面流动问题时具有显著的优势.介绍了SPH法的基本数值方法,并基于SPH法数值模拟了2个二维溃坝问题,将计算结果与试验数据进行了比较,结果表明:SPH法在处理自由面时具有很强的适应性.尽管水面发生了翻卷、破碎等剧烈的变化,但SPH法仍然能够较好地捕捉到这些流动现象,同时数值模拟得到的水头位置和自由面形状均能与试验结果相吻合,表明SPH法在处理自由面问题时具有较高的准确性及可靠性.     

基于SPH的自由表面流动数值模拟

光滑粒子流体动力学方法是一种新近发展的无网格数值方法,在处理自由表面等复杂边界、流体大变形方面具有显著优势.应用该方法求解了拉格朗日形式的Navier-Stokes方程,为提高计算精度,本文通过采用两种粒子模拟固壁边界,改进了计算方法.并对湍流、粘性流体、不可压缩问题进行求解.通过二维和三维算例对近岸水动力学中波浪传播、变形、与建筑物的相互作用问题进行了数值计算,验证了其可行性,并为SPH的进一步扩展和应用奠定了基础.     

基于SPH方法实用堰水流的数值模拟

以数值模拟实用堰水流为目标,采用光滑质点水动力学方法,根据流量与上游水深关系,得到SPH方法推板模型入流边界。针对SPH方法明渠流动中的入流边界问题,利用添加推板模型的SPH方法对二维实用堰溢流水力特性进行数值模拟,获得实用堰水流水力特性,并进行物理模型试验,验证添加推板模型SPH方法的有效性。通过对流场、断面平均流速对比分析,结果表明:推板模型结果与试验结果吻合较好,推板模型可以准确的描绘水流运动状态;通过流量对比分析,在溢流过程中,推板模型与试验结果平均值相差-1.43%,推板模型可以保持实用堰上游水位恒定,提高计算精度。研究成果初步验证了推板模型的可靠性,为SPH方法入流问题提供了新的解决方法,具有一定的参考价值。     

Numerical simulation of hydro-elastic problems with smoothed particle hydrodynamics method

Violent free surface flows with strong fluid-solid interactions can produce a tremendous pressure load on structures, resu-lting in elastic and even plastic deformations. Modeling hydro-elastic problem...     

Free-surface flow past a submerged cylinder

This study employs a Lagrangian frame numerical method to investigate two-dimensional free-surface flow induced by a submerged moving cylinder. This method combines the advantages of vortex methods and boundary integral methods, and is capable of capturing the complex motion of free surface and vortices. A series of computations are performed to investigate the effects of Froude number, the depth of submergence and still water depth on the flow motion. Free surface deformation, wake vortex and hydrodynamic forces are studied.

     

Two-phase SPH simulation of vertical water entry of a two-dimensional structure

In view of the fact that the SPH model is easy to handle the flows with the free surface of large deformation, a 2-D flow induced by vertical water entry of a 2-D structure is simulated using the two-phase SPH model. The local pressure of the boundary particles is obtained by pressure of the fluid particles nearby through a modified kernel approximation. To evaluate the accuracy of the method, water entry of a 2-D symmetric wedge with fixed separation point of the free surface on the wedge surface is simulated. The pressure distribution of the wedge at the initial stage agrees well with the analytical results available. Evolution of the free surface and the air flow in the cavity induced by the water entry are obtained. A higher speed air jet is found at the neck of the cavity when the neck of the cavity becomes smaller. For the case of a horizontal cylinder entering the water with an unknown separation point of flow on the model surface, the early stage of the water entry is simulated for the rigid body with different density. Evolution of the free surface deformation of the half-buoyant cylinder and neutrally buoyant cylinder water entry is compared with the experimental data. The effects of the density ratio and Froude number on the pinch-off of the cavity are discussed. It is found that the pinch-off time remains almost constant for different density ratio and Froude number. Meanwhile, for a given Froude number, the dimensionless pinch-off depth and the location of the cylinder at the time of pinch-off increase with the density ratio. Further, for a given density ratio, these two parameters increase with the Froude number and, however, the relative cavity shape appears to be a self-similar shape when Fr ?8.35.     

闸后水流运动的SPH法数值模拟

在对光滑离子流体动力学(SPH)法的基本原理、核函数及控制方程离散格式、边界处理方法等进行介绍的基础上建立了数值水槽模型,成功模拟了闸门开启后水流的界面变形、界面破碎、气泡的生成及溃灭,以及涌浪的生成过程。结果表明SPH法能够捕捉到流体的飞溅及融合现象,适于模拟具有瞬时极大变形等水流运动。     

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

纺锤形桩靴在饱和土中贯入过程涉及土体极大变形和复杂的土、水、结构三者耦合作用,由于网格畸变问题,采用传统网格类数值方法很难进行模拟。SPH无网格法借助于一系列粒子进行插值,粒子与粒子之间无联系,将偏微分形式的控制方程转化为常微分方程组进行求解,可有效避免网格畸变问题。基于土-水-结构耦合SPH无网格算法,对桩靴在中密、密实砂土及饱和黏土中的连续贯入过程进行模拟,研究土体存在极大变形条件下桩靴贯入阻力、超孔隙水压力及总应力等物理量在贯入过程中的变化规律,并与CEL大变形有限元分析结果及室内离心机测值进行对比和分析。研究结果表明:采用土-水-结构耦合SPH算法可以准确地捕捉土、水混合物发生大变形时的自由面特征、贯入阻力、孔隙水压力及超孔隙水压力等物理量。     

Smoothed particle hydrodynamics and its applications in fluid-structure interactions

In ocean engineering, the applications are usually related to a free surface which brings so many interesting physical phenomena(e.g. water waves, impacts, splashing jets, etc.). To model these complex free surface flows is a tough and challenging task for most computational fluid dynamics(CFD) solvers which work in the Eulerian framework. As a Lagrangian and meshless method, smoothed particle hydrodynamics(SPH) offers a convenient tracking for different complex boundaries and a straightforward satisfaction for different boundary conditions. Therefore SPH is robust in modeling complex hydrodynamic problems characterized by free surface boundaries, multiphase interfaces or material discontinuities. Along with the rapid development of the SPH theory, related numerical techniques and high-performance computing technologies, SPH has not only attracted much attention in the academic community, but also gradually gained wide applications in industrial circles. This paper is dedicated to a review of the recent developments of SPH method and its typical applications in fluid-structure interactions in ocean engineering. Different numerical techniques for improving numerical accuracy, satisfying different boundary conditions, improving computational efficiency, suppressing pressure fluctuations and preventing the tensile instability, etc., are introduced. In the numerical results, various typical fluid-structure interaction problems or multiphase problems in ocean engineering are described, modeled and validated. The prospective developments of SPH in ocean engineering are also discussed.     

水流结构相互作用的粒子法数值仿真

提出了光滑质点水动力学法,对具有自由面的水流(体)与建筑物相互作用问题进行了数值仿真。应用该法求解了拉格朗日形式的纳维埃—斯托克斯方程,并对方程中的梯度、散度与拉普拉斯等项进行了相应的处理。光滑质点水动力学法具有计算格式简单、易于跟踪自由面和计算大变形问题等优势。最后,给出了水流(体)与建筑物相互作用的两个计算实例,结果表明,计算结果与其他方法给出的数据符合良好。     

模拟二维水下爆炸问题的光滑粒子(SPH)方法

水下爆炸涉及两相流,是一个动边界的问题,迅速变化的气-液交界面给传统的基于网格的数值方法带来了严重的挑战。SPH法是一种拉格朗日方法,该方法可以准确且有效地捕捉气-液交界面。论文应用光滑粒子(SPH)法来模拟水下爆炸过程,特别给出了光滑长度的选取方法和优化算法。最后,通过两个算例验证该方法,数值模拟结果表明,光滑粒子法在处理水下爆炸这样的大变形和强非线性问题方面具有精度高、耗时少、数值稳定等优点。     

三维涡环与自由表面的粘性相互作用

本文用ＶＯＦ方法数值模拟了三维涡环与自由表面的粘性相互作用。重点考察了Ｆｒｏｕｄｅ数、Ｗｅｂｅｒ数、初始扰动及密度分层对涡环与自由表面相互作用的影响。结果表明：由于粘性的存在，使得涡环与自由表面的相互作用与无粘情形相比有许多不同。粘性的作用主要体现在涡量的耗散和新的二次涡环的产生；对自由表面变形而言，Ｆｒｏｕｄｅ数是主要的控制参数，Ｆｒｏｕｄｅ数越大，自由表面变形越显著，而Ｗｅｂｅｒ数的影响作用则