结构入水空泡流动的高精度SPH模拟研究

This proposal is developed according to a NSAF targeted cultivation project "Investigations on water entry and its associated cavitation phenomenon". The purpose of this project is to develop efficient fluid-solid structure interaction algorithm, two-phase flow algorithm and non-reflective boundary algorithm based on a high order smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, to comparatively investigate turbulence models and cavitation models and incorporate suitable models for simulating water entry of solid objects into the SPH solver. The numerical methods, computational algorithms and physical models will be verified by analytical, experimental and other CFD results, and then applied to investigate water entry and its associated cavitation phenomenon with bubble formation, growth and collapse. It aims to provide a new numerical method for modeling water entry and its associated cavitation phenomenon, to provide new ideas and techniques to predict inherent physics and to provide guidance for optimally designing structures for water entry.

本申请针对“培育项目”的明确目标课题-“8.结构入水空泡现象研究”提出，旨在基于高精度SPH方法，发展有效的流固耦合、两相流动及无反射边界算法，并在SPH方法中引入合适的紊流模型与空泡模型，通过理论分析、模型实验及其他CFD数值结果的验证，建立能够有效模拟结构入水及入水空泡流动的数值模拟方法，以分析和研究结构入水过程中空泡的萌生、发育和溃灭的机理及其对水体阻力与结构载荷特性的影响，解释现有数值结果和实验观察的差异。希望通过本项目的研究，为结构入水及入水空泡问题提供科学的数值模拟方法和新技术、新思路，对结构入水及入水空泡进行有效的预测，从而趋利避害，并帮助指导设计相关的入水结构。

本项目旨在发展高精度无网格粒子方法，结合模型实验，以研究结构入水及产生的空泡特性。首先，项目发展了一种解耦有限粒子法（DFPM）, 一系列数值结果表明本项目发展的DFPM方法是一种精度高、稳定性好的新型粒子方法，能够准确对自由面流动进行模拟，该方法可用于研究具有自由面或大变形的复杂流动问题。在DFPM方法的基础上，发展了有效的流固耦合模型、无反射边界模型和多相流界面模型。这些模型不仅可用于结构入水空泡流动问题，也能够推广应用于其他多相多介质运动领域，如爆炸驱动金属运动。基于本项目发展的数值模型，对楔形体入水过程中的空气泡进行了数值研究。数值结果表明，楔形体入水过程中，在楔体两侧形成两股射流，随着时间的发展，射流逐渐闭合形成空气泡，空气泡可以传递压力，进而产生推动楔形体入水的动力。本项目采用高速摄影方法在实验室水箱中开展超疏水小球低速入水实验，观察和研究小球入水过程中的水空泡类型。实验结果表明超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数和邦德数有关。在不同参数下，小球入水及空泡的动力学行为可能经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合。..本项目发展了气、液、固三相流动数值模型，为研究结构入水提供了一种精度高、稳定性好的新型粒子方法。从数值和实验两个方面探讨了结构物入水过程中的空气泡特性，有助于对气泡和结构物运动特性之间关系的理解，具有重要的理论意义和学术价值，同时也具有广阔的工程应用背景。..本项目研究内容共发表文章19篇SCI文章。在本项目的支持下，举办国际会议1次，项目负责人多次应邀参加国际/国内学术会议，并作大会报告或专题报告，项目负责人也多次荣获各种学术奖励，2017年教育部自然科学类一等奖，以及2018年世界华人计算力学学会计算力学奖；2015年以来蝉联入榜Elsevier计算力学领域中国高被引学者。