大变形自由表面流动及流固耦合粒子模型与实验研究

水动力学与海洋工程领域存在众多的大变形自由表面流动及其与固体结构的强烈耦合作用。控制方程的高度非线性，急剧变化的自由表面，以及可变形的固体壁面都给相关问题的数值模拟带来极大的挑战。开展大变形自由表面流动以及流固耦合问题的预测理论与模型研究，探索和发展相关的高效计算方法，在学术与工程上都具有非常重要的意义。光滑粒子动力学SPH方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法，在模拟大变形和运动界面特征方面具有特殊的优势，如果在算法上加以完善和推广，预期能将SPH方法应用于水动力学与海洋工程中大变形自由表面流动以及流固耦合的各类问题。本项目旨在：1）进一步改进SPH方法，兼顾计算精度与稳定性；2）建立通用有效的壁面边界处理算法，兼顾边界处理计算精度、效率，以及对复杂边界区域的适应性；3）建立合理的流固耦合算法，同步实现流固耦合。所开发的算法和模型将通过其他数值方法的计算结果与辅助的模型试验进行验证。

大变形自由表面流动及流固耦合问题往往涉及高度的非线性、急剧变化的自由表面，以及可变形的固体壁面，对数值模拟而言是一个巨大的挑战。本项目基于光滑粒子动力学（SPH）方法，发展了一系列创新的算法和模型，提高了SPH方法的精度和适用性，开发了相应的源程序，结合其他CFD数值方法及模型实验数据对所发展的SPH算法、模型和源程序进行了验证，并成功将改进的SPH方法应用于液滴撞击、液体晃荡、漏油拦截等大变形自由表面流动及流固耦合问题。本项目取得了一系列重要研究成果，实现并部分超过了预期的研究目标。在本项目的支持下，出版英文专著一部、在Journal of Computational Physics, Physical Review E、Coastal Engineering等著名期刊发表SCI收录论文12篇；参加了多次国内外学术会议，包括3次大会报告和多次邀请报告。研究成果表明，所开发的SPH算法、模型和源程序在模拟大变形自由表面流动与流固耦合问题的优势，在水动力学与海洋工程领域具有广阔的应用前景。