MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit,MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气(liquefiednatural gas, LNG)型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度.      

晃荡（英文）

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌(不规则波动)的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

晃荡

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌(不规则波动)的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

MPS方法数值模拟楔形体入水问题

入水问题是船舶海洋工程中典型的流动问题。当船舶在恶劣海况中航行或海洋平台遭遇恶劣天气时,结构物和水体之间往往会出现剧烈的砰击作用。砰击发生时,伴随着结构物湿表面的变化、自由液面的翻卷和破碎等强非线性现象。本文采用本课题组自主开发的基于移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-Implicit Method)的求解器MLParticle-SJTU对二维楔形体入水问题进行了数值模拟。选取斜升角为30°的楔形体模拟其入水过程,研究了不同粒子布置方式对于计算结果如垂向水动力和自由面变化的影响,并与MLM砰击模型(Modified Logvinovich Model)的结果进行了比较,吻合较好。在此基础上,进一步研究了不同斜升角对计算结果(垂向水动力和自由面变化)的影响,其中流动分离前的垂向水动力与MLM结果相近,表明了MPS方法能有效地模拟入水问题。     

Sloshing

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌（不规则波动）的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

应用基于GPU的SPH方法模拟二维楔形体入水砰击问题

光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种无网格的拉格朗日效值方法,广泛应用于计算流体领域模拟复杂自由表面流问题.SPH方法的主要缺点就是计算量过大,而基于GPU的并行计算方法可使SPH计算得到有效加速.本文应用基于GPU的SPH并行计算方法研究了二维楔形体的入水砰击问题.数值计算结果与文献中对应的解析解比较一致,验证了基于GPU的SPH方法的精度和可靠性.仿真结果同时显示基于GPU的并行计算方法可使SPH计算速度得到显著提高.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物,浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定,发生复杂的耦合作用.为准确模拟多液舱浮式结构物的运动,本文引入一种有效的时域解耦算法.该方法以模态分解法为基础,通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解,最终形成时域解耦运动方程,无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度.该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足,减少解耦过程的计算耗时.本文进一步结合边界元数值方法,分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究.通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比,验证了本文时域解耦算法的有效性.本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响,发现存在一个共振影响区间:当外场波浪频率在该区间之外时,可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动;在比该区间更低频的波况下,液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消,此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动;在比该区间更高频的波况下,液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位,此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动.本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况,发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响,但对垂荡运动影响很小.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.      

MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。     

基于大涡模拟的移动粒子半隐式法研究

将大涡模拟(LES)和无网格的移动粒子半隐式法(MPS)相结合, 以求解湍流中的自由表面问题. 对N-S方程进行滤波计算可得到大涡模拟的控制方程, 大涡模拟的控制方程相对于以往的移动粒子半隐式法而言仅多出雷诺应力项, 通过亚粒子应力(sub-particle-scale,SPS)模型并引入Smagorinsky涡黏模型将雷诺应力模型化, 可实现移动粒子半隐式法的大涡模拟. 将MPS-LES应用至具有大变形自由表面的共振晃荡中, 其模拟结果同实验及其他数值模拟结果都相当接近.      

基于SPH法的返回舱入水载荷模拟分析

返回舱水上着落前期面临较大砰击,为研究过程中受到的砰击载荷,基于光滑粒子流体动力学(SPH)气-液两相流算法,首先通过模拟平板和楔形体两种算例模型的入水过程,并与相关文献的试验结果进行对比,验证算法的有效性。在此基础上,对返回舱的入水过程进行模拟。结果显示,两种算例模型的计算结果与相关文献试验结果吻合良好。返回舱入水速度和倾角对砰击有较大影响并且过程中存在二次砰击现象。砰击载荷随入水速度增大而增加。第一次砰击载荷峰值随倾角增大而减小,第二次砰击载荷峰值随倾角增大先增后减。结果表明,SPH气-液两相流算法能够较好地模拟返回舱入水过程。     

SPH方法研究空气在平板入水中的影响

飞机水上迫降以及船体在高速行驶时,均会发生结构物砰击水面的现象,当结构物底面较为平坦,砰击水面时会捕获空气,在板底形成空气垫。研究空气垫的形成及影响,有助于对结构物进行更准确的载荷分析。该问题的研究涉及到气固液三相的相互作用,在数值模拟中仍是一个挑战,本文使用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对该问题进行模拟。首先,与实验结果进行对比;其次,系统地研究了平板形成空气垫以及砰击水面的过程,考查了空气、水和平板的动能变化。对比了在SPH模拟中考虑空气与不考虑空气得到的水压力场和平板所受压力,说明了空气对结果的影响;最后,研究了平板宽度对空气垫形成的影响,从而进一步影响加速度。     

图形处理器在大规模力学问题计算中的应用进展

现代图形处理器(graphics processing units,GPU)具有较强的并行数值运算功能.该文简单介绍了GPU的硬件结构,基于GPU通用计算的数据结构和实现方法,以及用于编写片元程序的OpenGL着色语言.介绍了应用GPU计算大规模力学问题的研究进展.简要介绍了以下内容:应用GPU模拟自然界的流体现象,其实质是使用有限差分法求解Navier-Stokes方程;应用GPU实现有限元法计算,使用基于GPU的共轭梯度法求解有限元方程组;应用GPU实现分子动力学计算,用GPU计算原子间短程作用力,并生成邻近原子列表;应用GPU实现量子力学Monte Carlo计算;应用GPU实现n个物体的引力相互作用,用GPU纹理存储n个物体的位置、质量、速度和加速度等.对基于图象处理器和中央处理器的计算作比较,已完成了以下基于GPU的计算:实现求解线性方程组的高斯消元法和共轭梯度法,并应用于大规模的有限元计算;加速无网格法计算;加速线性和非线性分子结构力学方法计算;用于计算分析碳纳米管的力学性能.指出GPU在大规模力学计算中的研究方向.     

人工黏性增强三维移动粒子半隐算法稳定性

通过综合比较移动粒子半隐方法(moving-particle semi-implicitmethod, MPS)各种稳定性计算方法, 考虑了多种可能导致计算不稳定的因素, 并首次提出加入人工黏性来抑制非物理压力振荡, 得到了较为稳定的三维MPS算法.采用各种稳定性方案对比模拟了三维立方流体旋转状态下的变形及三维静水压问题, 并进一步与商业软件的流体体积函数方法(volumeof fluid, VOF)模型计算结果对比, 验证了其正确性.结果表明:对三维情形, 单纯应用已有的稳定性算法仍难以满足MPS计算稳定性的要求, 而进一步辅以该文提出的人工黏性方法则可以在准确性及稳定性方面均取得较好的效果, 且计算结果显示, 通过该文提出的开关模式增加人工黏性并不影响压强泊松方程的求解精度, 因而不会对流场的求解产生负面作用.     

粒子法中压力振荡问题的研究

传统移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-implicit Method)中一直存在压力振荡问题,针对此问题对MPS方法进行改进。改进的MPS方法,采用一种新型抑制压力振荡的压力泊松方程离散格式;在核函数的选择方面,采用能够增加计算稳定性的二次样条核函数;并且针对MPS方法中粒子插值不完整问题,对粒子插值不完整性进行了修正。应用改进的MPS方法对溃坝问题进行数值模拟验证。结果表明,应用改进的MPS方法能够得到更为光滑的压力场空间分布。对模拟过程中的检测点压力进行采集,并且与实验值进行对比分析,发现改进的MPS方法能够有效地抑制模拟过程中的压力振荡,而且与实验值接近。同时应用改进的MPS方法对静水问题进行验证模拟,发现改进的MPS方法能够有效地抑制模拟过程中的压力振荡,而且监测点的压力与理论解接近。改进的MPS方法对今后应用MPS方法模拟实际工程问题,并且获得准确稳定的压力值有着重要的意义。     

三维溃坝流的光滑粒子动力学方法模拟

采用光滑粒子动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对三维溃坝流问题进行了数值模拟。为了逼真地模拟出坝内水体与壁面间相互作用而产生的水花飞溅、融合以及近壁面流动等现象,加入了混合长度形式的湍流模型。为了有效地防止粒子穿透固壁,提出了一种新型的适合三维数值模拟的固壁边界处理方法。应用SPH方法对三维溃坝流进行了数值模拟,并分别考虑了未添加障碍物和添加圆柱障碍物两种情形。计算结果表明,改进SPH方法能够精细地捕捉溃坝流在不同时刻的自由液面,并获得稳定而精确的数值结果。     

基于移动粒子半隐式法的表面张力模拟

采用移动粒子半隐式法(MPS)模拟了受表面张力影响的自由面流动。表面张力的计算采取了一种较适合于MPS方法的表面自由能模型。方形液滴振荡和射流断裂的模拟结果分别与理论分析和试验结果一致,同时进行了三维射流注水模拟,从而验证了MPS方法结合该表面张力模型可以有效、方便地进行自由面流动中表面张力现象的模拟。     

基于GPU并行计算的浅水波运动数值模拟

利用有限体积法求解描述水流运动的二维浅水方程组,模拟洪水波运动传播过程,并通过GPU并行计算技术对程序进行加速,建立了浅水运动高效模拟方法。数值模拟结果表明,基于本文提出的GPU并行策略以及通用并行计算架构(CUDA)支持,能够实现相比CPU单核心最高112倍的加速比,为利用单机实现快速洪水预测以及防灾减灾决策提供有效支撑。此外,对基于GPU并行计算的浅水模拟计算精度进行了论证,并对并行性能优化进行了分析。利用所建模型模拟了溃坝洪水在三维障碍物间的传播过程。     

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method,MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法,MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题.本研究针对MPS方法中存在的压力振荡现象,首先将实际的物理问题简化为一维模型,并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时,加入了粒子碰撞模型,通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟,结果表明随着碰撞系数的增加,粒子数密度偏差的波动幅度都会减小,从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响,结果表明:采用高斯核函数时,压力振荡的幅度更小,这是因为采用高斯核函数时,相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性,这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动,从而产生压力振荡,因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.     

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method, MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法, MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS 方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题. 本研究针对MPS 方法中存在的压力振荡现象, 首先将实际的物理问题简化为一维模型, 并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS 方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时, 加入了粒子碰撞模型, 通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟, 结果表明随着碰撞系数的增加, 粒子数密度偏差的波动幅度都会减小, 从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响, 结果表明: 采用高斯核函数时, 压力振荡的幅度更小, 这是因为采用高斯核函数时, 相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性, 这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动, 从而产生压力振荡, 因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.