无网格SPH方法在粘性不可压缩流体中的应用研究

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随着电子计算机技术的不断提高,数值模拟已经成为解决计算流体力学问题的一种重要方法。数值模拟不用在实验场所进行昂贵耗时的实验,而且能根据研究问题的需要,得到完整、具体的数据信息,因此倍受欢迎。光滑粒子流体动力学法(SPH)是一种用于求解连续介质动力学的无网格数值方法,在处理移动物质交界面、大变形等问题时,因其不需要网格划分和重构的特点而显示出了传统网格方法不可比拟的优势,研究该方法在海洋工程领域的应用意义重大。本文以半潜式海洋平台结构局部范围内粘性不可压流体流动为背景,首先系统研究了SPH方法和粘性不可压缩流体的的理论基础,阐述了SPH近似的思想,并简单推导了粘性流体控制方程组,在此基础上采用SPH方法求解该方程组,实现了对粘性流体控制方程组离散。其次,对光滑函数的性质、人工粘性的使用、状态方程的选择、时间积分的方案等数值模拟关键问题进行了详细论述,研究了粒子搜索方法和边界条件的实现方案,并结合离散化的控制方程组,编写了适用于粘性不可压缩流体的二维SPH程序。最后,使用编写的程序模拟了方腔剪切流并与FDM结果进行了比较,模拟平面Poiseuille流与理论级数解进行了对比,验证了程序的可靠性并对程序的优化方案进行分析。对溃坝问题的数值模拟描述了溃坝过程中自由表面的形状,而特定时刻的水位高度和波前沿位置结果与实验观测数据的对比,同样验证了本文程序的可靠性,并体现了SPH方法简便高效的特点。本文工作为无网格SPH法在海洋工程领域的应用打下了良好的基础。
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