移动粒子法的自由表面与流固耦合作用下冲击载荷研究

The process of impact with free surface , for example as slamming, sloshing and water entry, often occur phenomena in ship and ocean, aerospace, coastal and offshore engineering. In the impact process, not only the structure would be deformed, but also a large magnitude fluctuation will be produced on the free surface of the water. It is necessary to consider effect of fuild structure interaction within calculation of impact loads with free surface. In this study, a particle method will be developed for fluid structure interaction based on our previous research of Moving-Particle Semi-Implicit Method (MPS). The object as elastic structures are analyzed by the present method.The elastic structures are represented by particles in Lagrangian approach, as same as MPS method for fluid dynamics, The spatial derivatives of governing equations for solid are discretized by the particle interaction models for differential operators. In this study, the iteration procedure of MPS method coupled with solid-fluid interation was used to calculate the displacement and deformation of structure, wave elevations of free surface with time history. The work is particularly useful to more clarify of complex mechanism of fluid structure interaction with free surface and to develop a computer softwave about determination of instantaneous profile of free surface and body forces. It may has very wide applications in ship, ocean and offshore engineering.

结构物运动引起的冲击自由液面过程，如砰击、液舱晃动、物体出入水是船舶海洋、航空航天、海岸工程中常见的现象，在此冲击过程中，不仅物体会产生变形，而且自由液面也会产生大幅度波动，因此在计算自由表面冲击载荷时需要考虑流固耦合的影响。本项目准备在申请者已有大涡模拟移动粒子半隐式方法研究的基础上，将物体当作弹性结构，流体和固体均采用拉格朗日形式进行处理，弹性体壁面的控制方程也使用移动粒子法来进行离散，通过流体和结构耦合求解，分析物体的位移、变形与自由表面随时间的变化历程，计算大变形自由表面下的冲击载荷，深刻揭示自由表面与弹性结构耦合作用下复杂现象的力学机制，开发有效地确定瞬时自由表面和受力情况的无网格方法计算机软件系统，为今后船舶、海洋、海岸等领域的高科技发展奠定理论基础。

流固耦合问题存在于很多工程领域，特别是在海洋工程领域中，流体-结构相互作用的分析起着重要的作用。如溃坝、液舱晃荡、冲击入水等问题，在其设计过程中不可避免的要进行流固耦合分析计算。现有的流固耦合分析方法大多是基于网格信息，如有限元法和有限差分法等，这类方法在处理大变形自由表面、液面破碎、弹性结构大变形及结构破坏等问题时，会发生严重的网格单元畸变，导致计算精度的降低甚至无法收敛。. 本研究在移动粒子半隐式法(MPS)核函数连续性的基础上，采用统一的MPS粒子将宏观流体和固体按一定的形式离散，由于流体和固体采用同一种离散方法，非常好的解决了计算流固耦合问题时坐标系的协调问题。在此基础上，根据MPS法的特点采用了一种全新的流固耦合计算流程，该方法通过分别赋值的方式，对流体和固体粒子进行识别，采用这种计算方法不用对流固耦合交界面做单独处理，极大的简化了处理程序。针对MPS算法计算流固耦合问题时的压力振荡现象，采用了一种新的压力缓解方法，在原压力计算的泊松方程中加入了自由扩散条件的作用项，以此缓解压力的振荡性，并在计算完成后再进行面积－时间平均。从计算结果可以看出，该方法可以极大地减小压力振荡现象。由于MPS法粒子具有拉格朗日性，所以在计算流固耦合问题时可能会发生流体粒子穿越固体的现象，当发生粒子穿越时则可能对整个模拟带来影响。本研究针对MPS法的这一缺陷，讨论了MPS法模拟中的粒子间相互碰撞和穿越现象，使用了一种人工的附加修正步，基本杜绝了粒子穿越边界的现象。在实际工程中，液体自由表面通常是复杂的湍流。大涡模拟是研究湍流问题的一种非常重要的数值方法。由于MPS法中没有网格，本研究根据网格法的亚格子应力模型，对过滤后的方程通过粒子法进行离散，选用Smagorinsky模型将MPS法和大涡模拟进行耦合。以MPS粒子为基础对流体和固体进行离散，采用Smagorinsky模型封闭亚粒子应力项，并将大涡模拟与MPS方法相结合，提出了一种新的MPS-LES-FSI无网格算法，同时通过大量的数值模拟，证明本方法计算流固耦合大变形问题具有较强的通用性和稳定性，并且利用该方法的无网格优势对结构破坏问题做了模拟计算。所以该方法可以作为流固耦合大变形分析的一种新的技术手段。