| 题名 | 强非线性自由液面流动及液固耦合问题的SPH数值模拟研究 |
| 答辩日期 | 2014 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 刘谋斌 |
| 关键词 | 光滑粒子动力学 强非线性自由液面 液固耦合 液体晃荡 |
| 学位专业 | 博士 ; 工程力学 |
| 中文摘要 | 水动力学与海洋工程领域存在众多的强非线性复杂水动力学问题，如溃坝、泄洪、液体晃荡、波浪冲击等等。这些强非线性复杂水动力学问题往往涉及自由液面的剧烈变形与破碎以及固体结构在大水动力载荷作用下的运动与变形。开展大变形自由表面流动以及流固耦合问题的预测理论与模型研究，探索和发展相关的高效计算方法，在学术与工程上都具有非常重要的意义。 随着计算科学的发展，数值模拟在强非线性复杂水动力学问题的研究中发挥着越来越重要的作用。有限差分与有限元等作为代表性的网格类方法，经过长期的发展，已经在计算流体与固体力学领域居于主导地位，但在强非线性复杂水动力学问题的应用中遇到了特殊的困难。例如在有限元方法中，如果介质产生大位移/大变形，有限元网格会发生畸变并可能导致计算中断；而有限差分/有限体积方法不易处理自由表面、运动界面和可变形边界。光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics. SPH)方法作为一种拉格朗日型无网格粒子方法，兼具欧拉方法和拉格朗日方法的优点，能够自然追踪运动界面、方便处理大变形及流固耦合，在模拟强非线性水动力学问题方面具有特殊优势。但是SPH方法也存在一些不足，主要集中在计算精度不够、数值不稳定、边界处支持域被截断以及缺乏有效的流固耦合连接模型等方面。 为了解决传统SPH方法中存在的问题，本文做出了几点改进，主要包括： 1）对核函数、核梯度进行了改进，提高了SPH插值精度，抑制了流场中的压力震荡及应力不稳定现象；2）提出一种改进的耦合动力边界处理方法，提高了边界粒子插值精度，解决了复杂边界对SPH的限制，从而可以准确地预测固壁上的压力响应；3）提出了一种改进的液固耦合模型，消除了粒子属性差异引起的数值震荡，可以准确地模拟水动弹性问题。 为了测试及验证改进的SPH方法，本文对如下三类问题进行了模拟研究，包括强非线性自由液面流动，液体与刚体、液体与弹性体的相互作用。在强非线性自由液面流动方面，本文预测了溃坝流动过程中的形态变化及压力响应，研究了复杂边界内的液体流体问题，模拟了洪水对街区的冲击过程，并对其破坏和防护进行了分析。在液体与刚体的耦合方面，本文对几种刚体入水问题进行了模拟研究，模拟得到的流动形态及压力分布与实验结果吻合的很好；在颗粒沉降问题中，分析了颗粒位置、数量以及液体粘性对颗粒沉降轨迹及涡旋结构的影响。在液体与弹性体的耦合方面，本文对弹性板振动、橡胶圈碰撞、溃坝流对弹性结构的冲击等问题进行了数值模拟研究，准确预测了弹性板振动幅度、橡胶圈碰撞过程中的形态变化，以及水压或水流冲击下弹性结构自由端位移变化情况。 经过一系列数值验证之后，本文对液体晃荡及其减震机理进行了研究。首先模拟了水平激励下矩形液箱内的液体晃荡，准确预测了自由液面的波高变化情况。接着研究了转动激励中不同角频率、角位移对液箱内的水波变化、固壁压力响应的影响。之后对液体晃荡减震机理进行了研究，分析了不同形式的阻尼对液体晃荡的抑制效果。最后对不同防晃结构作用下的晃荡问题进行了模拟研究，确定了防晃结构对液体晃动幅度的影响，给出了防晃结构的优化选择。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10941]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 强非线性自由液面流动及液固耦合问题的SPH数值模拟研究[D]. 中国科学院研究生院. 2014. |
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