波流环境下拦油栅失效问题的SPH数值模拟研究

Oil spill can cause serious damages to marine environment, marine lives, and aquaculture resources, and can lead to tremendous economical loss. The oil boom is an equipment commonly used to concentrate oil spill and prevent the leaked oil from being spreading to wider areas through blocking the movement or transfer of the oil slick. The containment of oil spill involves strong free surface, interface, and fluid-structure interaction. Due to possible restrictions of the design of the boom itself and environment factors, oil slick may escape from the bottom or the top of the boom and this is referred to as boom failure. This project intends to study the mechanism of oil boom failure using smoothed particle hydrodynamics (SPH) method. SPH method is a Lagrangian mesh-free particle method which has special advantages in modeling free surface, interface and moving boundary. The contents of this project includes: (1) to improve the traditional SPH method for modeling oil spill and boom movement; (2) to study the parallel algorithm of SPH for high performance computation, (3) to simulate the process of oil spill and boom movement using the improved SPH method, and analyze corresponding boom failure mechanism. The obtained boom failure mechanism can provide guidance for the optimal design and improvement of booms.

海上漏油事故会对海洋环境、海洋生物、养殖资源和当地经济造成严重危害。拦油栅是海上漏油事故处理中常用的一种设备，用于阻止或转移浮油的运动。海上漏油的拦截过程涉及复杂的自由表面、油－水交界面、油－水－拦油栅的耦合等问题。由于受到自身和环境因素的影响，拦油栅常常失效导致浮油逃逸。本项目旨在应用改进的SPH方法模拟研究拦油栅失效问题。SPH方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法，在处理自由表面、交界面和运动边界等问题方面具有特殊的优势。本项目的主要研究内容包括：（1）根据拦油栅失效问题的复杂性，对传统的SPH方法进行改进；（2）研究高效的SPH并行算法；（3）应用改进的SPH方法模拟研究拦油栅失效的几种主要模式，并分析对应的失效机理，给出拦油栅失效模式与影响因素之间的定量关系，为拦油栅的设计和改进提供依据。

海上漏油事故会对海洋环境、海洋生物、养殖资源和当地经济造成严重危害。拦油栅是海上漏油事故处理中常用的一种设备，用于阻止或转移浮油的运动。海上漏油的拦截过程涉及复杂的自由表面、油－水交界面、油－水－拦油栅的耦合等问题。由于受到自身和环境因素的影响，拦油栅常常失效导致浮油逃逸。本项目旨在应用改进的SPH 方法模拟研究拦油栅失效问题。SPH 方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法，在处理自由表面、交界面和运动边界等问题方面具有特殊的优势。本项目的主要研究内容和成果包括：（1）根据拦油栅失效问题的复杂性，对传统的SPH 方法进行了改进，提出了一种多相流SPH方法；（2）提出了一种模拟流体与刚体相互作用的SPH方法；（3）提出了一种模拟柔性体与流体相互作用的SPH-EBG耦合方法（3）提出了一种可动态调整负载平衡的SPH 并行算法；（4）开发了二维和三维SPH并行源程序；（5）模拟研究了刚性拦油栅失效的四种主要模式，并分析了相应的失效机理；（6）模拟研究了柔性拦油栅失效的过程；（7）模拟研究了流体中柔性纤维的变形模式及阻力规律，结果表明柔性结构通过改变自身形态可降低流体阻力。