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原文传递改进的MPS方法及其三维并行计算研究

论文题名：	改进的MPS方法及其三维并行计算研究
关键词：	Wigley船;无网格粒子法;并行计算;甲板上浪;液舱晃荡
摘要：	作为无网格粒子法，MPS（Moving Particle Semi-Implicit）方法比较适合处理自由面大变形的流动问题。然而，MPS方法得到的压力场带有较强的非物理振荡，这一现象很大程度地影响了MPS方法压力计算的可靠性。此外，MPS方法计算量较大，当模拟三维问题时，流场需要使用大量的粒子进行计算，此时串行程序难以完成这样大规模的计算。因此，开发一套能够较准确地进行压力计算的三维并行MPS方法将具有重要的实用意义。　　本文首先研究了MPS方法中压力振荡问题，以静水问题和剧烈晃荡问题为例开展了数值试验，分析了压力梯度模型、压力Poisson方程源项和自由面判断三个因素对压力振荡的影响，对已有的改进方法进行了测试，并针对存在的问题提出新的改进方法。静水问题计算表明，已有的动量守恒型压力梯度和混合源项法两种改进方法单独使用都能在一定程度上改善压力的振荡现象，但效果有限，二者结合使用可以比较成功地抑制压力振荡，获得合理的压力场。但在剧烈晃荡问题中，这种结合的处理方法仍然存在较为严重的压力振荡现象。进一步分析表明，此时自由面粒子误判是导致压力振荡的一个重要因素。针对于此，本文提出一个新的自由面判断方法，该方法基于邻居粒子分布的不对称性进行判断，数值测试表明该方法能够较好地提高自由面判断精度。本文结合已有的守恒型压力梯度、混合源项法和本文提出的新的自由面判断方法构建了一个改进的MPS方法。剧烈晃荡的计算结果显示：该改进MPS方法有效地抑制了压力的振荡，计算得到的拍击压力曲线能够较好地与实验数据相吻合。　　为提高MPS的计算效率，实现三维大规模模拟，本文开发了三维并行MPS方法，在并行策略上，采用了基于背景网格的区域分解法，开发了动态负载平衡功能，借助于MPI（Message Passing Interface）库在分布式内存的计算机集群上实现了并行计算。基于该并行MPS对三维溃坝进行了并行效率测试，结果显示：使用动态负载平衡策略较好地保证了计算中各进程计算量的均衡，获得了令人满意的并行效率。此外，每个时间步内各个求解步骤所用时间和加速比分析表明：压力Poisson方程求解效率是提高MPS并行效率的关键。针对于此，本文尝试了采用GPU加速压力Poisson方程求解。本文基于开源函数库CULA在GPU Tesla C1060上进行了压力Poisson方程求解的测试，结果显示在粒子数较多时，GPU获得了较高的加速比，GPU在MPS的并行计算中具有很大的潜力。　　结合改进的MPS方法和并行计算工作本文开发了一套MPS求解器，MLParticle-SJTU（Meshless Particle Solver-Shanghai Jiao Tong University），并将其应用船舶与海洋工程中典型的三维自由面大变形流动问题，研究了溃坝、液舱晃荡、甲板上浪和船在大幅波浪中运动问题。　　针对三维溃坝，本文对MPS方法进行了粒子收敛性分析，计算中采用了不同的粒子数，计算结果表明增加粒子数量可以使自由面波形捕捉更加精细，当波形变化剧烈时粒子数量对波形计算精度的影响较大。为进一步验证MLParticle-SJTU的可靠性，本文对一个三维带障碍物的溃坝进行了模拟，波高和拍击压力的计算结果能够与实验和其他数值结果较好地吻合。　　本文对三维剧烈液舱晃荡问题进行了研究。为分析MLParticle-SJTU对拍击压力的计算精度，对二维液舱在纵荡、纵摇以及耦合运动时的晃荡进行了计算，将计算得到的自由面形状和拍击压力变化曲线与实验结果进行了对比，吻合较好。此外，本文对不同激励周期和激励幅值进行了分析，结果表明激励周期对晃荡中的波形和拍击压力有较大影响，而激励幅值对拍击压力影响较大，这一现象在共振频率附近较明显。为了分析MPS方法在三维计算和二维计算上的差别，本文计算了一个矩形液舱纵荡运动时晃荡问题，结果显示：对于这样的准二维流动，二维和三维计算结果整体上比较接近，但三维模拟得到的压力场更光滑，细节上看三维计算能更好地模拟破波和液体飞溅现象。此外，本文对三维菱形液舱在六自由度耦合运动时的晃荡进行了计算，结果表明此时液舱中的波形较二维情况复杂，存在多种波形的叠加。本文还研究了三维带隔板的液舱晃荡问题，分析了不同隔板高度对减晃效果的影响，结果显示适当地增加隔板高度能够改善减晃效果，但增加到一定程度以后改善的幅度不明显。　　本文研究了三维甲板上浪问题。为此，首先建立了一个数值波浪水池，数值测试表明计算得到的波形能够与解析解相一致。为验证MLParticle-SJTU在甲板上浪问题中的可靠性，本文首先对一个二维甲板上浪问题进行了计算，并将上浪波形和水体对上层建筑拍击压力的数值结果与实验数据进行了对比，二者较为一致。此外，本文研究了二维和三维浮体在波浪中的运动问题，对一个二维浮式防波堤在规则波中的运动进行了计算，数值得到的防波堤纵荡运动与实验数据吻合地比较好。在三维浮体问题中，本文对Wigley船在大幅波浪中运动问题进行了计算，结果显示在波浪较大时，船体纵摇较大，严重时出现了甲板上浪现象，MLParticle-SJTU显示了较好的稳定性，能够模拟这种复杂的流动现象。
作者：	张雨新
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	万德成
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文