基于修正光滑粒子流体动力学算法的低能量耗散数值波浪水池开发

摘要

目前,无网格光滑粒子流体动力学SPH粒子法在波浪与结构物相互作用研究方面得到广泛应用,但该方法模拟波浪远距离传播时,常常面临严重的能量耗散问题,导致波高非物理性降低,给大范围海域、长时间作用下的波-物耦合作用研究带来一定困难.对此,本文采用一种核函数修正算法,在确保粒子间相互作用对称性的同时,改进压力梯度离散项的计算精度,设法解决SPH方法中能量非物理性耗散的难题.相较于前人减缓能量非物理性衰减的方法,本文的修正SPH算法避免了自由液面搜索等复杂处理过程,并能保证动量守恒特性.数值结果中,采用振荡液滴、规则波、不规则波等算例,验证本修正SPH算法的准确性和有效性.结果表明,该修正SPH算法能准确模拟振荡液滴形态变化,且动能保持较好守恒性.通过数值水池与物理水池两者规则波与不规则波结果的对比分析表明,基于本文修正SPH算法建立的数值波浪水池具有较好的抗能量衰减效果,能实现长时间、远距离波浪传播的准确模拟.此外,本算法能在低光滑长度系数条件下,实现精确模拟,将极大缩减三维SPH模拟的时间,从而节约计算成本.