1．目的及意义

1. 目的及意义

21世纪以来，世界经济高速发展，科技进步日新月异，各个国家综合国力竞争日趋激烈。对资源需要也日益庞大，同时，随着人口的逐渐增多，陆地上的资源已经难以满足人类的需求，难以适应现代化社会发展的需要。因此，向海洋探索，开发利用海洋资源迫在眉睫。为开发海洋资源，近年来，海上石油钻井平台、海上栈桥、浮式防波堤、岛式码头等海洋结构物相继被研发并投入使用。这些海洋浮式结构物在海上工作时会受到波浪的作用，产生横摇、纵摇、垂荡等运动，对浮式结构物的正常工作，工作人员的安全舒适造成了一定的影响。所以，海洋浮式结构物耐波性的研究非常重要。近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算方法的不断改进，计算能力的极大提高，使用计算机形象逼真的模拟复杂多变的真实海况成为可能，浮式结构物的耐波性等问题也可以通过数值模拟在计算机上进行仿真实验。如今，在计算流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）领域，一般分为有网格方法和无网格方法。如有限元法等有网格法是目前的主流，但也同样面临一些问题，生成网格的质量影响着最终结果的精度，一些复杂的不规则边界也难以构建合适的网格，而且，该方法也不适合处理自由表面的剧烈运动以及一些大变形问题。因此，一系列无网格方法就应运而生，常见的无网格方法包括光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）法、离散元法、自由网格法等。本文拟采用SPH方法，采用开源软件DualSPHysics建立用于模拟浮体运动流场的数值波浪水槽，模拟波浪中浮式结构物运动。通过本课题研究，验证无网格方法求解海洋结构物耐波性相关问题的有效性，为海洋结构物耐波性设计和预报提供可选择的手段。

2. 国内外现状分析

SPH方法是一种无网格的、拉格朗日型粒子方法。目前已成为CFD中数值模拟的主要方法之一。该方法最早是由Lucy等人[1]提出。该方法是在天体物理学中建立和发展起来的一种新型数值计算方法，之后在天体物理的诸多相关领域中得到很好的应用，后来也应用到其他领域，如电磁学、分子力学、计算流体力学等领域。Monaghan[2]将SPH应用于流体力学领域，计算了一些典型的自由表面流动问题，如孤立波问题、造波问题等。SPH方法的基本思想是用一系列的粒子来描述连续介质流体，这些粒子携带相互独立的物理信息，同时遵循特定的物理控制方程运动，并且估计相应的偏微分方程，一定程度上克服了应用有网格方法在解决流体力学问题上的一些缺陷。

近年来，SPH方法的应用越来越广泛，随着该方法的进一步改善和发展，一些研究人员已经开始将该方法应用于模拟海岸波浪的传播、变形及其与结构物的相互作用。Violeau[3]结合了各种紊流模型，研究了溃坝之后水流与直立墙的相互作用；Swegle[4]应用SPH方法研究了流体弹性流动问题；Dalrymlpe和Roger[5]总结了美国Johns Hopkins大学从2000年以来采用SPH方法模拟波浪运动及其与建筑物相互作用的进展情况，阐述了紊流模型、流体粘性和密度以及离散格式的选用等问题，给出了离岸平台的越浪和波浪在斜坡上的爬坡破碎的模拟结果。

国内，许多研究者对SPH的研究也做了大量工作，郑兴和段文洋[6]提出了SPH二阶精度算法，使计算精度有较大提高；金钊、任冰等[7]比较了SPH并行算法和串行算法的计算效率；郑坤[8]建立了基于SPH算法的三维数值波浪水槽，进行了规则波和三维水平板相互作用的数值模拟研究。目前，对SPH方法进行改进大致可分为两个方向：压力计算方法和核近似方法。由于传统的SPH方法的计算效率不高，提高SPH的计算效率也是研究人员关注的一个重点。采用GPU加速SPH算法是近几年来发展的一种新的SPH方法计算模式，如徐锋等人[9]对SPH方法在GPU上的物理存储模式和线程使用方式进行了较为详细论述。

综上所述，SPH方法在数值模拟领域有广阔的前景。目前国内对该方法的研究还处于起步阶段，没有形成体系，与国外的研究还有很大差距，需要国内的研究人员更加努力。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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1. 基本内容

学习海洋结构物在波浪中的运动理论和预报方法，学习无网格方法在波浪与结构物相互作用水动力问题中的应用，综述波浪中浮体水动力研究方法。基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法，采用开源软件DualSPHysics建立用于模拟浮体运动流场的数值波浪水槽。采用数值波浪水槽模拟规则波的运动和特定波浪条件下浮体的运动，将计算结果与理论结果和模型试验结果进行比较，验证数学模型及数值方法的有效性，并对数值模拟中误差成因进行分析。

2. 目标

通过本课题研究，验证无网格方法求解海洋结构物耐波性相关问题的有效性，为海洋结构物耐波性设计和预手段。