强非线性液体晃荡问题的SPH计算方法研究

There are many violent liquid sloshing problems in marine, aerospace, land transport and some other domains. Violent liquid sloshing can exert strong impact load on the nearby structures, which may cause serious disasters. However, violent liquid sloshing is very difficult for traditional numerical methods, which have difficulties in simulating violent deformation, break-up of free surface and complex turbulence effects. Therefore，in this project three aspects will be investigated based on the Smoothed particle hydrodynamics (SPH) method. Firstly, based on our existing researches, an improved interface treatment method will be developed, which balance the accuracy, efficiency and applicability and can simulate the interaction between liquid and structures accurately. Secondly, to solve the numerical dissipation problem inherent in SPH, an improved algorithm will be proposed to improve the accuracy and stability of SPH method. Thirdly, the three-dimensional liquid sloshing model will be developed based on GPU technology to improve the computational efficiency greatly, and predict the complex 3D characters of liquid sloshing accurately. The results of this project can provide important methodological basis and computational procedures to solve engineering problems.

强非线性液体晃荡存在于海洋、航空、陆地输运等各个领域，剧烈的晃荡会对结构产生很大的冲击力，造成严重的后果。液体晃荡过程往往伴随自由液面的破碎、翻卷以及复杂的紊流效应，传统网格类方法在解决此类问题时遇到很大困难。有鉴于此，本项目拟基于光滑粒子动力学(SPH)方法展开如下三方面的研究工作:（1）针对传统SPH方法难以处理不同介质高密度比的问题，发展一种能够兼顾精度、效率、有效性的SPH交界面处理方法，以准确模拟晃动液体与结构的相互作用；（2）针对传统SPH方法的数值耗散现象，发展有效的改进方案，以提高SPH算法的精度和稳定性；（3）开发基于GPU的三维液体晃荡数值计算模型，提高计算效率，准确模拟液体晃荡中的复杂三维特性。本项目的研究成果可以为工程实际问题的解决提供重要的方法基础和程序支持。

强非线性液体晃荡存在于海洋、航空、陆地输运等各个领域，剧烈的晃荡会对结构产生强大的冲击力，造成严重的后果。液体晃荡过程往往伴随自由液面的破碎、翻卷以及复杂的紊流效应，传统网格类方法在解决此类问题时遇到很大困难。有鉴于此，本项目基于光滑粒子动力学(SPH)方法展开了以下研究工作:（1）针对传统SPH方法边界附近剧烈数值扰动的问题，提出了一种能够兼顾精度、效率、有效性的SPH交界面处理方法。应用三类粒子构建了任意形状的变形或不可变形边界，能够准确模拟晃动液体与结构的相互作用，很好地处理不同物质间的密度差异；（2）针对传统SPH方法的数值耗散现象，基于有限粒子法的思想，建立了核梯度修正方案，通过泰勒级数展开构建的核梯度修正矩阵，能够解决因粒子分布不均匀所导致的精度损失问题，大幅度提高SPH算法的精度和稳定性；（3）开发了基于GPU的液体晃荡数值计算模型，该模型适用于二维和三维液体晃荡问题的模拟，能够准确捕捉液体晃荡问题中的复杂流动特性。.在本项目的支持下，项目负责人开发了一套具有自主知识产权的SPH液体晃荡源程序，发表论文7篇，其中SCI收录3篇，EI录用1篇，指导研究生3人，参加国际会议或国际研讨会3次并做相关报告，完成了项目预期指标。本项目的研究成果可以为解决海洋工程、交通运输及自然灾害防控等领域中的流图耦合问题提供重要的方法基础和程序支持。