移动粒子半隐式法流固耦合模型及自由浮体数值研究

对流固耦合问题进行了系统的分类并在移动粒子半隐式法中建立了刚体与流体之间的单向及双向耦合模型。对二维溃坝问题和活塞式造波板的造波问题进行了数值模拟,结果与实验值或分析解符合得较好。对浮体在静水中的自由振荡问题进行了计算,浮体质心高度与理论值的最大偏差控制在0.5%以内,达到了工程计算的精度。在长板形自由浮体对正弦波浪的运动响应算例中,综合应用了单向和双向耦合模型,结果表明长度小于波长的浮体随波浪做正弦规律的起伏运动和摇摆运动,同时沿行波方向迂回前进,当浮体长度增加时,浮体运动幅度减小。     

基于无网格法的浮体与波浪相互作用模拟与试验验证

浮体在波浪中的运动现象广泛存在于海洋石油及新能源领域,属于流固耦合问题,同时涉及自由表面流动和运动边界等复杂现象,使得基于欧拉模式的数值方法并不擅长该类问题的求解。采用一种拉格朗日无网格法,即光滑粒子动力学(SPH)方法,建立流固耦合数值计算模型,模拟浮体在波浪水槽中的运动过程,通过线性波浪理论和水槽试验验证了模型的准确性。结果表明:SPH方法能够有效模拟浮体在波浪作用下的非定常运动,并且捕捉到越浪、浮体侧倾等现象,预测的浮体位移时间关系与试验结果一致;在无约束条件下,浮体在水槽中发生横向位移,且位移受浮体形状和尺寸影响较大。     

用移动粒子半隐式法模拟液舱横摇晃荡现象

应用移动粒子半隐式法（MPS）模拟了半满粘性液舱的横摇晃荡运动.模拟中每个时间步分为显示和隐式两步,控制方程中利用粒子与周围粒子之间的关系取代了传统方法中的差分项,利用粒子数密度的变化来判别自由表面.MPS法作为一种Lagrange数值方法,存在着粒子穿透现象.文中使用了一种防穿透方法,取得了较好的结果.结果表明,MPS法在复杂曲面的布点及自由表面的表现上有一定的优势.     

MPS-DEM耦合方法的多段系泊浮体波浪响应分析

针对大型海上浮体平台常采用分段式结构以保证平台在海浪冲击下结构的稳定性,分段式结构使得浮体平台的水动力特性变复杂的问题,通过耦合移动粒子半隐式法(MPS)与离散单元法(DEM),在全拉格朗日框架下建立了二维造波水池模型。本文比较并修正了造波模型,提高了造波的准确度,并对消波模型进行了改进,改进后的计算量下降了12.1%;对含有不同数量子平台的分段浮体平台在规则波影响下的运动进行了数值模拟,探讨了分段浮体平台运动时子平台间的动态关系。研究结果表明,子平台位置靠近整体平台下游时,其垂荡和纵摇响应逐渐衰减,纵荡响应成为主导特征。大型分段浮体平台在设计时需注意减小前部子平台的垂荡和纵摇,并增加连接部件对尾部子平台的约束力,防止尾部子平台相互碰撞或脱离主浮体平台。     

系泊多浮体系统波浪运动响应的动力学分析

首先介绍了用势流理论和刚体动力学方程 ,分析系泊单浮体波浪运动响应的频域理论。对于铰联结系泊多浮体系统 ,将其作为铰联结无根树系统 ,用多刚体力学 Huston方法进行了运动学分析。选定广义速率后用其表达出多浮体系统的各种有关运动量。进而使用多刚体力学的 Kane方程 ,并补充以必要的运动学约束关系 ,导出了求解系泊多浮体系统各浮体质心位移和摇荡角位移的动力学方程组。最后归结为可求解各项位移、角位移幅值和相位的复数线性代数方程组。     

基于浸没边界和格子玻尔兹曼的流固耦合算法

为将格子玻尔兹曼方法(LBM)用于土木工程结构的气动弹性计算,提出了一种基于浸没边界-格子玻尔兹曼(IB-LB)方法的流固耦合算法.该算法在多松弛时间格式的格子玻尔兹曼框架下构造大涡模拟作为流场求解器;采用龙格-库塔法求解结构运动方程.为满足流固耦合面的无滑移性并提高算法的计算精度,采用一种迭代格式的浸没边界实施流固耦合面的数据交换.基于流固耦合算法编制分析程序对矩形断面的横向风振和福斯桥的颤振等气动弹性问题进行了模拟.与现有试验及数值结论的对比分析表明:本文算法可以较准确地预测矩形断面的涡振锁定风速、驰振临界风速及福斯桥的颤振临界风速.     

锚链动态效应对海上浮式风力机整体系统动响应的影响

建立了海上浮式风力机包括弹性叶片、塔架以及SPAR浮体和悬链线式系泊线的整体系统动力模型,并基于改进的三维动态悬链线理论和有限元进行了5MW大型风力机的动响应数值模拟和分析;与以往的准静态方法和简化模型不同,本文考虑了系泊系统的动态特性(例如惯性力和阻尼力)、以及大尺寸柔性部件叶片、塔架等的弹性动力,分析了在波浪载荷下的风力机系统动响应.给出了悬链线式系泊线上的惯性载荷与黏性水动阻力等动态效应对系泊张力及其运动特性的影响,通过与仅考虑静态回复力的准静态法结果对比,分析了系泊系统动态特性对风力机结构响应的影响.我们的数值结果表明:考虑系泊线的动态特性,其动张力会明显增大,系泊线松弛-张紧的冲击张力幅值差可达到准静态值的10倍以上.当波浪频率远高于系统频率时,系泊系统的动态效应会加速结构瞬态项的衰减,而波浪频率与系统频率接近时,系泊系统的动态特性能明显降低浮体的响应位移,幅值降低约20%.     

WC-CMPS法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法,由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。本文采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式(Weakly Compressible Corrected Moving Particle Semi-implicit Method)法构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WC-CMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法。由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式法(weakly compressible corrected moving particle semi-implicit method)构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WCCMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

移动粒子半隐式法核函数特征对压力求解稳定性的影响

针对移动粒子半隐式法在求解特定问题时,压力求解可能会出现一定程度的波动,分析了移动粒子半隐式法中核函数曲线形状特征对压力求解稳定性的影响,构造了一种指数多项式型核函数。模拟了典型静压(静水压力问题)和动压(液体晃动问题)算例,并将模拟结果与理论解或实验值进行对比,研究结果表明:改进的核函数可有效抑制模拟过程中压力求解的振荡现象;核函数与对应粒子数密度比值曲线的形状特征可真实反映粒子间相互作用关系,在稳定性分析中起着至关重要的作用。当核函数是光滑单调递减非负函数且最大值为有限值、两粒子间距离与影响半径的比r/r_e在[0,1]区间时,曲线两端附近核函数数值变化平缓更有利于使粒子保持合理距离,压力求解更加稳定;在r/r_e为0.8的附近,核函数值过小时会影响系统的动力学性能。