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基于GPU加速的sph方法溃坝水流数值模拟研究

基于GPU加速的SPH方法溃坝水流数值模拟研究

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作者：张福红华北水利水电大学

学位级别：硕士

溃坝水流流动是典型的不可压自由表面流运动,对于溃坝水流的模拟及可视化研究是水利工程中仿真模拟范畴的重难点问题,精确地模拟出溃坝水流的流动特性对水利工程设计与安全评估有重要意义。对溃坝水流的研究涉及到流体的强非线性和各种... 详细信息

溃坝水流流动是典型的不可压自由表面流运动,对于溃坝水流的模拟及可视化研究是水利工程中仿真模拟范畴的重难点问题,精确地模拟出溃坝水流的流动特性对水利工程设计与安全评估有重要意义。对溃坝水流的研究涉及到流体的强非线性和各种复杂的物理学问题,直接求解析解几无可能,但随着各种近似解法的提出,尤其是数值模拟方法的进步,利用计算机技术进行数值求解可获得溃坝水流良好的近似解,可为此类水利工程问题研究提供可行技术手段,值得深入研究。传统的有网格法模拟方法受到水体连续性条件的约束和自由液面的界面追踪问题的困扰,对于求解流体问题存在先天性困难。sph方法作为近代兴起的无网格方法,采用粒子流模拟自由表面流运动,消除了有网格法天然的弊端,完全回避了网格生成与扭曲问题。当sph方法因采用大量粒子进行计算时,常常需要考虑计算效率问题,尤其是在高维水流模拟问题时,需重点考虑如何提高sph方法的计算速度,以在合理的时间范围内得到有效的数值结果。本文基于sph方法,借助CUDA并行模式的GPU加速优化计算,主要做了以下研究工作:(1)sph方法基本理论研究。首先介绍了sph方法基本思想、核近似、粒子近似方法及sph方法中用到的数值技术;介绍了固壁边界条件和自由边界条件的边界处理方式,重点论述了动力边界条件涉及的边界斥力法和镜像虚粒子法及运动边界条件涉及的动态边界法。(2)GPU加速与CUDA并行计算理论研究。在GPU加速的CUDA架构计算下,结合数值算例Poiseuille流做了模拟验证,计算结果与数值解误差不超过4%。(3)二维溃坝水流模拟研究。将sph模拟计算结果和文献实验结果比对,发现采用的sph方法计算结果与文献实验结果吻合度为88.4%;从不同光滑长度和粒子数目的角度探究了其敛散性,得到比例系数收敛于1.25,粒子数目收敛于44034。(4)三维溃坝水流的数值模拟研究。分析了溃决水流的流速、流态,消能障碍物与各测点的受力及水体的能量变化;定量的计算了水体动能变化量,得到梯形障碍物块体消能效果最好,消能效率为14.154%。

关键词：溃坝水流光滑粒子流体动力学sph GPU加速计算三维模拟

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sph方法模拟液舱晃荡及量纲分析

SPH方法模拟液舱晃荡及量纲分析

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作者：徐卜男大连理工大学

学位级别：硕士

液舱是船舶与海洋结构物中必不可少的组成部分,在风浪流等环境载荷作用下船体或结构的运动会传递给舱内的液体,当液舱处于非满载情况（即存在自由液面）时,自由液面就会产生不同程度的变形和波动,程度较大的运动即为晃荡。晃荡不仅能对... 详细信息

液舱是船舶与海洋结构物中必不可少的组成部分,在风浪流等环境载荷作用下船体或结构的运动会传递给舱内的液体,当液舱处于非满载情况（即存在自由液面）时,自由液面就会产生不同程度的变形和波动,程度较大的运动即为晃荡。晃荡不仅能对舱壁结构本身造成损伤,还能影响整个浮体的稳性,因此是船舶与海洋工程领域研究的一个重要方面。本文利用一种无网格数值方法——光滑粒子流体动力学法（Smoothed Particle Hydrodynamics, sph）模拟二维矩形水舱的晃荡问题,主要研究晃荡过程中,水体运动与水舱运动之间的相位关系（或相位差）,通过量纲分析提出控制该类问题的几个无量纲参数,并根据多组数值实验结果探讨各参数对相位关系的影响。 sph法是近来兴起的一种无网格数值方法,采用拉格朗日格式,其特点在于问题域是以粒子形式离散的,粒子携带有材料属性,并且粒子之间没有网格联接,因此在处理大变形等较强非线性问题时具有较大的优势。本文介绍了sph法的基本原理及其在流体动力学问题中的应用,并通过溃坝的算例,与实验对比来验证sph法在处理流体动力学问题方面的可靠性。直到最近几年,sph法才逐渐应用到晃荡问题的研究,它的优势在于不需要对自由液面做特殊处理,可以很好的描述剧烈的晃荡现象。本文也将某一载况下的晃荡现象,分别利用sph模拟和模型实验进行再现,并将二者的现象进行了对比,吻合很好。本文的创新之处在于通过对二维矩形水舱的量纲分析,提出了四个无量纲参数,即频率比、深宽比、横摇幅值和横摇雷诺数等,它们可以控制水体运动与水舱运动之间的相位差。以此为依据,做了多组sph数值实验来研究各参数对相位差的影响。数值实验的结果表明：只要满足基于这四个无量纲参数的相似准则,就可以忽略晃荡问题的尺度效应;而且在感兴趣的范围内,相位差与频率比和深宽比具有一定的正相关关系,但是横摇幅值对相位差的影响并不显著。

关键词：晃荡光滑粒子流体动力学sph 量纲分析

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