Login
Register光滑粒子流体动力学（SPH）
在模拟自由液面大变形、波浪翻卷和破碎等问题时，有网格CFD算法一定程度上仍然面临自由液面或多相界面捕捉精度不高的难题。近些年来，为了克服传统欧拉网格算法在自由液面大变形、翻卷、破碎等问题中的不足，逐渐兴起了对无网格拉格朗日粒子法的研究，其中最具代表性的为光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，简称SPH）方法。
SPH rEsearch and engineeRing International Community (SPHERIC)
为促进光滑粒子流体动力学研究领域的国际合作，欧洲多国学者于2005年成立了SPH研究与工程应用的国际合作组织（SPH rEsearch and engineeRing International Community，简称SPHERIC）。该组织每年在世界范围内召开一次国际会议，讨论SPH研究领域的最新进展。
图1 2020 SPHERIC Harbin International Workshop
2020年1月14-16日，光滑粒子流体动力学国际研讨会（2020 SPHERIC Harbin International Workshop）在美丽的冰城-哈尔滨召开，这是继2017年首次在北京召开以后，SPHERIC会议第二次在中国召开。本次会议由哈尔滨工程大学张阿漫教授担任主席，来自中国、法国、英国、意大利、西班牙、德国、日本等国的140名学者参加了大会，如图1所示。SPHERIC会议只设一个会场，所有会议论文面向全体参会者进行汇报和交流。本次会议用3天时间，交流了52篇论文。大会主办委员会精选了来自法国南特中央理工大学、英国剑桥大学、上海交通大学、英国曼彻斯特大学和西班牙马德里理工大学的5篇论文，收录于Journal of Hydrodynamics (JHD)期刊的光滑粒子流体动力学专辑，内容涉及飞机海上迫降、波浪与可渗透海岸相互作用、液舱晃荡、多相流等方面的最新研究进展。
图2 直升机模型水上迫降的试验和SPH数值模拟（Oger 等人, JHD, 2020）
1、法国南特中央理工G. Oger等人的论文“Simulations of helicopter ditching using Smoothed Particle Hydrodynamics(share this artilce:https://rdcu.be/b6jr8)”，在欧盟地平线2020-飞机和直升机迫降安全性和可靠性研究项目的支撑下，进行了飞机海上迫降的SPH数值模拟和实验研究，重点检验了SPH方法在直升机迫降仿真中的应用，证明了SPH方法特别适合复杂自由液面砰击水动力学问题的数值预报。论文对三种不同的冲击构型进行了仿真，并将数值结果与实验结果进行了对比，部分结果如图2所示，验证了SPH方法在飞机结构入水模拟中的精度。
图3 孤立波与可渗透海岸相互作用的ISPH模拟（Tsurudome 等人, JHD, 2020）
2、波浪冲刷海岸是海岸工程领域经典课题，在过去的几十年里得到了广泛研究。然而，大多数研究都把海岸当作坚实边界，但实质上，海岸是由多孔介质（如沉积物或植被）构成的。剑桥大学Tsurudome等人的论文“Incompressible SPH Simulation of Solitary Wave Propagation on Permeable Beaches(share this artilce:https://rdcu.be/b6jsa)”，采用ISPH模型研究了孤立波与沙滩的作用，讨论了多孔介质对波浪的衰减效应，重点讨论了多孔介质上波浪爬升高度与粒径的关系，典型计算结果如图3所示。
图4 三维液舱晃荡的MPS粒子法数值模拟（Xie等人, JHD, 2020）
3、对于剧烈液舱晃荡问题，流场演变十分复杂，三维效应不可忽略。上海交大Feng-ze Xie等人的论文“CFD simulations of three-dimensional violent sloshing flows in tanks based on MPS and GPU(share this artilce:https://rdcu.be/b6jsm)”采用运动粒子半隐式(MPS)方法，结合GPU并行计算技术，自主编程开发了MPSGPU-SJTU求解器，开展了三维液舱晃荡数值模拟，研究了液舱晃荡三维效应的影响因素，部分计算结果如图4所示。
图5 两相Poiseuille流动的SPH数值模拟（Reece等人, JHD, 2020）
4、带复杂界面的多相流动一直是数值模拟的难点。英国曼彻斯特大学Reece等人的论文“New Instability and Mixing Simulations using SPH and a Novel Mixing Measure(share this artilce:https://rdcu.be/b6jsm)”采用SPH方法模拟了不同流动状态下的两相混合及其界面不稳定性，如图5所示。在拉格朗日框架内，提出了一种新的两相混合程度定量度量方法。用腔内剪切流和两相泊肃叶流动算例验证了该方法的有效性。这是第一次使用SPH方法来研究这些不稳定性的发生和发展。
图6 Eleazar Merino-Alonso等人（JHD, 2020）开展的一维SPH分析中，粒子在核函数中的分布情况
5、SPH方法在模拟剧烈流体砰击动力学问题时优势明显，但模拟静力学问题时，离散误差可能会凸显出来。西班牙马德里理工大学Eleazar Merino-Alonso等人的论文“On the numerical solution to the truncated discrete SPH formulation of the hydrostatic problem(share this artilce:https://rdcu.be/b6jsq)”，基于图6所示的一维SPH离散方式，研究了带自由液面的静力学问题，重点研究了粒子间距与光滑长度比值不变时，粒子间距和光滑长度趋于零时的收敛性，发现误差在大多数情况下趋向于一个极限值，不等于零。研究结论对完善SPH数值理论及其误差分析十分有益。
客座编辑简介：
A-Man Zhang
Harbin Engineering University
张阿漫，男，1981年03月出生，江西武宁人，博士，哈尔滨工程大学教授、博士生导师。教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才获得者。2003年本科毕业于大连理工大学，2007年博士毕业于哈尔滨工程大学，2011年度英国伦敦大学学院(UCL)访问学者。主要研究方向：爆炸冲击动力学、流固耦合动力学、气泡动力学，承担国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金、国防基础科研等科研项目共40余项。获得了全国创新争先奖（2020），国家技术发明二等奖1项（2018），国家科技进步二等奖1项（2013），国家级教学成果二等奖1项（2018），省部级一等奖3项。在JFM、PRF、POF、JCP、CMAME等权威期刊上发表学术论文100余篇，近五年被引3000余次，ESI高被引论文9篇。获得授权发明专利15项，软件著作权38项，出版书籍3部，海军标准1部。获得了首届科学探索奖（2019）、中国高被引学者（2019）、国防卓青（2018）、中青年科技创新领军人才（2016）等学术荣誉，担任中国造船工程学会船舶力学学术委员会副主任，军委科技委基础研究先进HS与评估专业组成员，SCI期刊CMES副主编，以及APOR、JHD、TAML等多个学术期刊的编委，近五年做邀请学术报告10余次。
Shi-Ping Wang
Harbin Engineering University
王诗平，男，1983年03月出生，山东荣成人，博士，哈尔滨工程大学教授、博士生导师。2007年于山东大学本科毕业，2011年于哈尔滨工程大学博士毕业，2013-2014年度美国布朗大学访问学者。主要研究方向为：流固耦合动力学、气泡动力学。承担国家自然科学基金项目、国家重点研发计划重点专项课题、国防基础科研项目、横向项目等20余项。科研成果获得国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖1项、二等奖2项，在《Journal of Fluid Mechanics》、《Physics of Fluids》、《Ocean Engineering》、《Applied Ocean Research》、《力学学报》等国内外核心期刊上发表论文60余篇，被SCI检索50余篇，被引1100余次（谷歌学术），ESI高被引论文2篇，期刊高被引论文2篇。
Peng-Nan Sun
Sun Yat-sen University
孙鹏楠，男，1991年5月出生，江苏通州人，博士，中山大学副教授，硕士生导师。2013年本科毕业于哈尔滨工程大学，随后直博，2018年获博士学位，导师为张阿漫教授。2015-2017年，受国家公派前往意大利国家研究理事会-海洋工程研究所（CNR-INM，前INSEAN水池）进行博士联合培养，2018-2020年，在法国南特中央理工大学进行博士后研究。主要从事船舶与海洋工程流固耦合动力学、光滑粒子流体动力学（SPH）理论与计算方法等方面的研究工作。在CMAME、POF、JFS、OE等期刊发表SCI检索的学术论文20余篇，其中ESI前1%高被引论文3篇，论文累计被引用640余次。曾获“Journal of Hydrodynamics 2018高被引论文奖”，“哈尔滨工程大学优秀博士学位论文奖”，担任《Journal of Hydrodynamics》期刊编委。
