SPH算法改进及在晃荡与入水中的应用

发布时间：2017-08-08 08:21

  本文关键词：SPH算法改进及在晃荡与入水中的应用

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【摘要】：自由表面流动问题是船舶水动力学中一类重要的问题。因此,对此类问题进行精确而高效的数值模拟具有重要的意义。光滑粒子流体动力学(SPH)方法由于其无网格、粒子类方法的特性,在对此类问题的研究上具有天然的优势。然而,传统SPH方法在处理自由表面流动问题时存在一些问题。本文针对自由表面流动问题,对SPH方法进行了算法改进研究,并应用于晃荡和入水这两类问题。 不可压缩SPH (ISPH)模型和弱可压缩SPH (WCSPH)模型是SPH方法实现的两种途径。以往的研究者一般认为ISPH模型优于或者不弱于WCSPH模型。但是,该结论仅针对无自由表面的水动力问题,而未考虑自由表面的变形、破碎等现象对于ISPH模型的稳定性和精度的影响。本文对两种SPH模型在自由表面流动问题上的适用性进行了比较性研究,发现在自由表面流动问题的数值模拟中,WCSPH模型比ISPH模型具有更高的计算精度和稳定性,并且在计算规模增大时体现出更好的计算效率。 固定边界条件的施加是SPH方法中的一个难点问题。本文对耦合动力学固定边界条件进行了改进,消除了初始固壁压力振荡的现象；同时,引入了一种新的固壁压力测量方法,获得了更为精确的固壁压力值。运用改进的WCSPH模型,本文对晃荡过程中液舱固定边界上的压力变化规律进行了研究,并结合试验结果进行对比。结果表明,改进的WCSPH可以获得稳定的压力场和准确的固壁压力曲线。 入水问题是船舶水动力学非常关注的一个问题。传统的平板型底面在入水过程中会受到巨大的砰击压力,对船舶的稳定性和安全性造成影响。针对此问题,本文应用改进的WCSPH模型对几种不同底部形式结构物的入水砰击压力进行了比较性的研究,总结出具有最稳定和高效的减压效果的底部形式。同时,本文还分析了入水砰击的降压机理,对今后的工程设计具有一定的参考意义。
【关键词】：光滑粒子流体动力学 自由表面流 固定边界 晃荡 入水
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 研究的背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现况11-12
• 1.2.1 SPH算法改进研究现况11-12
• 1.2.2 SPH在晃荡和入水中的研究现况12
• 1.3 本文的主要工作12-15
• 2 控制方程与SPH算法介绍15-26
• 2.1 控制方程15-16
• 2.2 SPH算法介绍16-25
• 2.2.1 核近似与核函数16-19
• 2.2.2 粒子近似19-20
• 2.2.3 连续性方程和动量方程的SPH离散20-21
• 2.2.4 粘性21-22
• 2.2.5 压力不稳定性机理分析及修正方法22-24
• 2.2.6 张力不稳定性机理分析及修正方法24-25
• 2.2.7 其他问题25
• 2.3 本章小结25-26
• 3 SPH模型比较与选择26-43
• 3.1 不可压缩SPH(ISPH)模型26-29
• 3.1.1 压力的求解：Poisson压力方程26-27
• 3.1.2 SPH投影法27-28
• 3.1.3 边界处理28-29
• 3.2 弱可压缩SPH(WCSPH)模型29-31
• 3.2.1 压力的求解：状态方程29-30
• 3.2.2 时间积分：预估-校正法30
• 3.2.3 边界处理30-31
• 3.3 两种SPH模型在自由表面流动问题中的比较分析31-42
• 3.3.1 静水压力比较分析31-34
• 3.3.2 冲击性水动力问题比较分析34-39
• 3.3.3 周期性水动力问题比较分析39-42
• 3.4 本章小结42-43
• 4 固定边界条件的改进及在晃荡问题中的应用43-59
• 4.1 斥力边界条件和动力学边界条件43-45
• 4.1.1 斥力边界条件43-44
• 4.1.2 动力学边界条件44
• 4.1.3 优缺点分析44-45
• 4.2 耦合动力学边界条件45-47
• 4.3 一种新的固定边界压力测量方法47-49
• 4.4 改进的WCSPH模型在晃荡问题中的应用49-57
• 4.4.1 试验研究49-51
• 4.4.2 WCSPH模型验证51-52
• 4.4.3 WCSPH模型对晃荡的模拟52-57
• 4.5 本章小结57-59
• 5 WCSPH模型在入水问题中的应用59-78
• 5.1 问题背景59
• 5.2 物理模型59-60
• 5.3 WCSPH模型验证60-65
• 5.3.1 精度与稳定性验证61-64
• 5.3.2 网格无关性验证64-65
• 5.4 数值计算结果65-74
• 5.4.1 Case 1：一个空腔65-69
• 5.4.2 Case 2：三个空腔69-74
• 5.5 结果比较与机理分析74-77
• 5.5.1 整体加速度比较74-75
• 5.5.2 局部压力峰值比较75-76
• 5.5.3 减压机理分析76-77
• 5.6 本章小结77-78
• 结论78-79
• 参考文献79-84
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况84-85
• 致谢85-87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ;On the treatment of solid boundary in smoothed particle hydrodynamics[J];Science China(Technological Sciences);2012年01期

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本文编号：639012