基于SPH方法的海上围油栏防溢油数值仿真研究

作     者：刘家齐 

作者单位：山东交通学院 

学位级别：硕士

导师姓名：焦培刚;杨化伟

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：SPH方法 围油栏围控溢油 围油栏稳定性分析 GPU并行计算方案 

摘      要：本文在充分认识海上围油栏工作原理及其构造的基础上,对围油栏结构进行了优化,利用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法对围油栏进行了数值仿真模拟,并分析了围油栏结构对防溢油效果的影响以及研究了围油栏的稳定性,旨在有针对性的为围油栏裙摆结构的形状设计提供可行性方案。本文基于SPH方法建立了适用于围油栏围控溢油的流-固耦合、液体两相流数值模型,解决了传统计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法在模拟围油栏围控溢油时的流-固耦合、水-油液体两相流中的不稳定、计算效率差以及将自由表面视为滑移壁且不考虑围油栏移动等问题。通过与参考物理实验进行对比,模拟的围油栏运动姿态以及周围水体形态和参考物理实验基本吻合,证明了该方法在模拟围油栏在水面上的动态响应是可靠的,验证了该方法的可行性。本文基于传统围油栏裙摆结构设计了8种围油栏裙摆形状,并将这9种不同裙摆形状的围油栏导入水-油液体相互作用的数值仿真模型中,通过SPH代码设定数值模拟相关参数,并应用GPU并行计算方案在保证精度的同时提高计算效率,得到了精确的围油栏滞油长度、溢油失效步长和稳定性的相关实验数据值。对不同裙摆形状的围油栏滞油长度和失效步长进行对比分析,其次通过后处理软件生成围油栏垂直位移变化曲线、围油栏垂直速度曲线及受力曲线对不同裙摆形状的围油栏进行稳定性分析。 本文利用SPH方法,通过模拟不同裙摆形状的围油栏在有波情况下的运动,旨在准确地模拟围油栏的运动效果,多方面的分析围油栏稳定性,进而指导围油栏的设计,提高溢油应对措施的有效性。本文不仅为围油栏防溢油结构的改进及其性能的提升提供了科学合理且实用的数据支持与改进策略,并且推动SPH技术本身的进步和完善,SPH方法在处理复杂的流体动力学问题方面的优势,使其成为研究和解决海洋溢油等环境问题的有力工具,有望为海洋保护和环境修复等领域带来新的突破。