一个应用于风浪流中模拟多个动物体的两相流质量力模型

基于复杂自由面下非定常、不可压缩粘性的 Navier-Stokes方程，本项目拟发展计算流体动力学(CFD)技术，采用两相流模型来研究风、浪、流中多个动物体的流固耦合问题。首先，针对物体运动而引起的各种流固耦合现象，在含有部分物体的控制体单元中，构造一个描述多个动物体对流体扰动影响的基本方程。其次，物体处理为流体形成包含动相界面的粒子、液体两相流，由此提出一个精确有效模拟多个动物体的两相流质量力模型，应用于风浪流中的强制运动和自由运动。所发展的理论及数值方法，可为船舶工程、海洋工程及近岸工程的研究开辟一个新的领域，具有重要理论意义和工程应用价值。本项目内容新颖，创新性强，主要研究内容包括：延伸切削网格法，更新瞬时描述多种复杂物体的特征参数；开发一种包含大密度比的高效数值模拟两相流的计算方法。对复杂的非定常流动问题如浮体运动响应，采用数模与物模相结合的途径，测试两相流质量力模型的性能及精度。

本项目按照项目任务书的相关内容，通过发展与应用现代计算流体动力学（CFD）建模技术及数值方法，实现了预期的研究目标，研发了一套具有自主创新、自主知识产权的CFD平台“基于质量力模型的两相流大涡模拟仿真软件”。项目研究内容主要涉及两个方面：构造多体质量力模型和发展虚拟液固两相流数值方法。多体质量力模型旨在精确捕捉场中运动物体对流体的干扰机理及影响，以描述浸入界面的几何特征参数、界面移动的质量流量与动量流量，构成一类等效于物体运动与浸入界面力源项的质量力模型，维持质量与几何守恒、界面尖锐与精确。虚拟液固两相流数值方法旨在强调整个域内构建统一的控制方程，以单一的数值方法实现流体与固体的耦合效应。因此，自主开发的CFD平台“基于质量力模型的两相流大涡模拟仿真软件”，为更加深入研究复杂海洋环境下非线性多相、多自由度、多几何尺度、多体流固耦合的粘性水弹性问题奠定基础，亦为模拟风浪流环境下多体运动相互作用提供新的理论、方法和模拟手段。.首先，针对流场中多体移动问题，在空间固定笛卡尔网格的框架下，基于几何守恒律、质量守恒与动量守恒原理，提出了一种以质量力力学模型理念来等效场中多体运动及浸入界面边界条件，通过施加于连续与动量方程中的质量源与动量源，实时传递场中物体运动的力学信息，以虚拟网格构建界面边界条件，具有编程简单、通用性强、网格无需重构、易并行、维持质量守恒及高精度等特点。.其次，针对任意多体建模与目标定位、识别与追踪问题，通过构造基于多项式的插值函数，提出了基于径向基函数的等值面重构技术，实现以适当的多维离散控制点构造任意物体等值面，维持界面几何形状精确；通过引入多体与切割网格相位属性识别指示参数，达到快速识别与定位多体相位属性；通过引入有效面积与有效体积技术，发展规则控制体下多体切割网格有限体积法，强调算法简单、易拓展三维及高雷诺数范围的流动问题，具有网格生成简单、效率高、复杂多体易处理、维持界面精确等特性。.最后，针对界面跳跃物理特征，通过设置固体域内的可动粒子等效虚拟流体，构建一种虚拟液固两相流的数学建模，避免了处理液固两相突变及边界数据传递的难点，作为模拟流固耦合问题的有效途径之一。相关实验验证，亦表明了本项目所提出数值方法的可行性及有效性。与此同时，在本项目支撑下，在重要国际会议上发表8篇论文，国内外期刊上发表3篇论文，培养硕博研究生共计9名。