SPH方法和MPS方法模拟溃坝问题的比较分析

SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)方法和MPS (Moving Particle Semi-Implicit)方法是两种常用的无网格粒子法,在处理自由面大变形问题方面有较大的灵活性,然而这两种方法在数值格式、计算效率和收敛性等方面有许多不同之处.本文以二维溃坝问题为例对SPH方法和MPS方法进行了比较分析,结果表明:SPH方法易于给出更为清晰、光滑的自由面形状,而MPS方法给出的粒子分布较为凌乱;在收敛性上,随着初始粒子间距的减小,SPH和MPS均趋于收敛,但MPS方法收敛得更快些;对于时间步长,在满足CFL条件且计算稳定的情况下,对结果影响不是很大;在计算效率上,SPH方法具有较高的效率,适合求解大型复杂流动问题,而MPS方法计算量较大.通过对SPH方法和MPS方法的比较分析,为具体问题计算选用不同的无网格粒子方法提供了选择依据.     

CFD方法模拟高航速DTMB5415艏波破碎

船舶高速航行时船艏处会经常发生波浪破碎现象,艏波破碎会伴随着复杂的流场变形还会造成能量损失形成破波阻力,对艏波破碎流场的数值模拟是目前水动力学研究中最为复杂的问题之一.该研究采用基于OpenFOAM自主开发的求解器naoe-FOAM-SJTU,针对标准船模DTMB进行了艏波破碎的数值模拟.计算离散方法采用有限体积法,利...     

数值模拟波浪翻越直立方柱

本文应用ＶＯＦ方法研究了孤立波翻越直立方柱流动的全过程。用人工压缩法和差分法求解二维Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，用施主－受主法求解流体体积函数控制方程。通过数值计算得到了孤立波翻越直立方柱的流场和压力值，并成功地模拟出波浪涌顶，水柱喷射，冲击和界面破碎的过程。     

基于CFD方法对波浪中FLNG分段液舱晃荡耦合运动的研究

作为液化天然气运输船,FLNG船在世界范围内引起广泛关注。在FLNG载液运输的过程中,船体会受复杂海洋环境影响产生摇晃,船体运动会带动液舱内液体产生晃荡,同时这种晃荡现象反过来也会与船体运动产生耦合作用。由于船舶运动与液舱内液体晃荡耦合作用的重要性,该问题十分具有研究价值。该文主要应用CFD方法,同时对液舱内部与外部流场进行模拟。对规则波中带双液舱FLNG分段的液舱晃荡耦合运动问题进行研究。该文应用的求解器是课题组基于Open FOAM自行开发的海洋工程水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。首先对空舱FLNG分段在不同频率规则波中的横摇运动进行模拟,并与文献结果进行对比,验证了求解器的准确性。接着针对液舱充液率24.3%的情况,对分段在不同波浪频率下的运动情况进行计算研究。在比对参考文献后,发现该文求解器的模拟结果比文献中的势流计算结果更加贴近文献中给出的物理实验结果。随后,研究在波浪频率相同时,五种不同充液率情况对FLNG分段液舱晃荡耦合运动的影响,并分析FLNG分段内外壁所受力矩相位差对耦合运动幅值造成的影响。最后将上述工况的波高增大一倍,再次研究在不同充液率下FLNG分段耦合运动受不同波陡的波浪的影响情况及规律。研究结果表明,naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效模拟波浪环境下液舱晃荡-船体运动耦合问题,并可以对整个流场进行可视化展示与分析,从多角度分析这一复杂现象的机理。     

水平圆柱形点吸式波浪能发电装置运动响应数值模拟

研究点吸式波浪能装置的水动力学特性是研究波浪能装置的重点。该文应用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,研究水平圆柱形点吸式波浪能发电装置的运动响应和能量吸收特性。对无阻尼浮子在波浪中的响应进行模拟,并与实验结果进行对比,验证了数值方法的可行性。对单圆柱和双圆柱在波浪中的位移响应和能量吸收功率进行了计算和分析。结果显示:在一定周期范围内,有阻尼单圆柱运动幅值随波浪周期的增加而增加,能量转换效率随周期的增加而降低;双圆柱运动和能量响应呈现一定的周期性特点,通过合理布置可以有效提高系统整体能量吸收效率。     

毂帽鳍节能原理的CFD分析

随着绿色船舶理念的逐渐兴起,船舶水动力节能技术日益成为研究的热点。毂帽鳍是一种用于提升船舶螺旋桨推进效率的水动力节能装置,能够打散螺旋桨的毂涡,消除螺旋桨毂帽后端的低压区,是一种通过回收螺旋桨叶根部旋转尾流的能量从而达到节能目的的节能装置,因其具有良好的节能收益、成本低和施工方便等优点而受到了广泛的应用。传统上,主要采用模型试验的方法进行研究,但有着成本高、周期长等不足。随着计算机技术的发展,计算流体力学(CFD)越来越多地应用于节能装置的研究上。该文使用CFD开源的代码工具OpenFOAM对毂帽鳍的水动力性能进行了预报,计算中采用滑移网格技术进行流场的计算。通过对比有无毂帽鳍的两种情形下螺旋桨敞水特性,发现毂帽鳍能够有效地改善螺旋桨后尾流场,从而提升螺旋桨的推力,降低螺旋桨的扭矩,起到了明显的节能作用。     

MPS方法数值模拟土石坝溃决流动

土石坝溃决流动一般为逐渐溃坝流动,对逐渐溃坝流动进行数值模拟分析有重要现实意义。该文使用自主开发的无网格粒子法求解器MLParticle-SJTU,对土石坝溃决的逐渐溃坝流动进行了数值模拟。首先建立了溃坝过程中坝体高度随时间变化的模型,在此基础上引入MPS方法,计算了溃坝过程中的流动形态以及流量,计算结果与其他研究者的模拟结果相吻合。此外,还采用二维模型计算考察了溃坝时间对溃坝水流流动形态及壁面砰击压力的影响,并对其中几个工况进行了三维模拟。     

基于致动线模型的风力机尾流场数值模拟

本文基于致动线模型求解三维Navier-Stokes方程的方法,对NTNU的"BlindTest1"风力机尾流场进行了数值模拟。该方法避免了求解实际叶片的表面边界层,无需使用动网格,从而大大降低了网格量和计算时间,非常适用于尾流场的模拟。该文所有计算均基于OpenFOAM自定义的求解器ALMpisoFoam。推力和功率的计算值与实验值吻合得很好,验证了求解器的正确性。3个典型叶尖速比下的轴向诱导因子、湍动能和尾涡结构等也在文中进行了简要分析。     

用MPS方法数值模拟低充水液舱的晃荡

液体晃荡是一种非线性的自由面流动现象.在低充水率下,由于液体具有很大的运动空间,晃荡现象具有强烈的非线性特征,自由面的变形较大,剧烈时甚至会翻卷和破碎,这给数值模拟带来很大挑战.本文基于移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-Implicit,MPS)对低充水率的液舱晃荡问题进行了数值模拟.结果表明:当激励频率等于共振频率时,液体撞击到了液舱的顶板,并出现了飞溅现象,此时液体对侧舱壁产生了较大的抨击压力;在低于共振频率时,自由面出现了破碎波及波前的翻卷和融合等现象,抨击压力相对较小.计算结果表明,MPS方法能够很好地预测晃荡引起的拍击现象,数值计算得到的压力能够与实验结果很好地吻合.在自由面的追踪上,MPS方法具有很大的灵活性,能够很好地处理自由面的破碎、融合及液体的飞溅等流动现象.     

基于CFD方法的变张力柔性圆柱涡激振动数值模拟

在实际海洋工程中,细长柔性结构物的涡激振动问题广受关注。该文基于切片模型,采用课题组基于开源CFD求解器OpenFOAM自主开发的,面向柔性立管涡激振动问题的viv-FOAM-SJTU求解器,对变张力作用下柔性圆柱涡激振动问题进行数值模拟,分别计算在恒定张力(工况1)及以一阶(工况2)和二阶(工况3)固有频率变化的轴向张力作用下,柔性圆柱涡激振动响应的变化。计算结果与试验吻合良好,验证了求解器的准确性。结果表明,变张力作用显著增大了结构位移响应,相比于工况1,工况2增幅约1倍,工况3增幅约25%。工况3的主振模态由一阶提升至三阶。变张力的作用使得圆柱出现多频率振动特性,体现出"和频"成分。从相图角度来看,圆柱的多频率周期振动特性明显。