非线性液体晃荡的高精度两相SPH模拟研究

Nonlinear liquid sloshing widely exists in ocean engineering and hydrodynamics and is frequently associated with highly nonlinear governing equations, moving interfaces and strong fluid-structure interactions. It is of great importance both in academics and engineering to explore efficient numerical method which can model liquid sloshing with air-cushion effects and hydro-elasticity, and to further conduct investigations on the mechanism of liquid sloshing. Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a meshfree, Lagrangian particle method, and is convenient in treating moving interfaces, large deformations and complex flow geometry. It is therefore attractive in modeling liquid sloshing with air-cushion effects and hydro-elasticity. This project aims to solve two key scientific issues including “balance of accuracy and stability” and “fluid-Structure interaction and material interface treatment”, to develop improved two-phase SPH method for modeling liquid sloshing with air-cushion effects and hydro-elasticity. The developed SPH method, together with model experiments, will be used to investigate the mechanism of liquid sloshing and to identify the influences of air-cushion and hydro-elasticity on liquid sloshing, and to provide new technological ideas and guidance to the engineering and scientific demands in ocean engineering and hydrodynamics.

非线性液体晃荡广泛存在于海洋工程与水动力学领域，涉及高度非线性的控制方程、运动的物质界面、强烈的流固耦合作用。探索能够综合考虑气垫效应与水动弹性的高效数值方法，开展液体晃荡相关的预测模型与机理研究，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，方便处理运动界面、大变形及复杂流动区域，在模拟含自由液面、气垫效应与水动弹性的液体晃荡问题方面具有特殊优势。本项目通过解决“SPH方法精度与稳定性的平衡”及“流固耦合技术与界面处理算法”两个关键问题，发展能够模拟含气垫效应与水动弹性的非线性液体晃荡的高精度两相SPH方法；并基于所发展的SPH方法，结合模型实验，研究液体晃荡过程中液体运动规律、流固耦合特性和结构运动、变形甚至破坏的机理，揭示气垫效应和水动弹性对液体晃荡的影响规律，为海洋工程与水动力学领域的重大工程和科学需求提供科学的方法和新的思路。

非线性液体晃荡作为一类非常复杂的水动力学现象，广泛存在于海洋工程与水动力学领域，涉及高度非线性的控制方程、运动的物质界面、强烈的流固耦合作用，是工程流体力学领域一个基础性与前沿性的研究课题。建立有效的模拟方法和预测模型，分析和研究液体晃荡过程中的复杂流固耦合作用，具有极其重要的理论意义和工程应用价值。数值模拟具有试验可重复、成本低并且可以高度还原实验条件等优势，正逐渐成为研究液体晃荡问题的重要工具。.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，方便处理运动界面、大变形及复杂流动区域，在模拟含自由液面、气垫效应与水动弹性的液体晃荡问题方面具有特殊优势。本项目发展了密度自适应、空间多分辨率、多相和高精度的SPH模型与方法，空间多分辨率方法可以将SPH的粒子数大幅降低（20%以内）。对于经典计算数学与计算流体力学问题，高精度SPH格式的计算精度与精确解误差低于1%，能够有效实现含水动弹性效应的非线性液体晃荡问题的高精度模拟。此外，本项目基于所改进的SPH方法对带有弹性阻尼板的液体晃荡问题进行大量数值研究，发现容器上的冲击压力受到弹性挡板的几何方向和复杂配置的显著影响，挡板刚度也会对冲击力作用时刻产生决定作用。同时，本项目对不同弹性挡板的阻尼性能进行量化，可以为减轻工程系统中液体晃荡效应提供有效解决方案。.本项目发展了诸多原创性的算法，弥补了传统SPH方法在计算精度和计算效率上的不足，解决了高精度SPH格式的精度和效率无法兼顾的问题。本项目为模拟含自由液面的流固耦合问题提供了一种精度可靠、高效的数值模拟方法，能够有效帮助开展液体晃荡数值研究工作，响应液体晃荡研究在空天、陆地和海洋的重大需求。