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MPS方法研究进展及其在船舶水动力学问题中的应用陈翔;张友林;万德成【摘要】移动粒子半隐式方法(moving particle semi-implicit, MPS)是基于Lagrangian观点来描述流体的运动,具有能够灵活处理自由面的大幅度变形及物体的运动变形等优点,近年来受到越来越多研究人员的关注.本文对MPS方法的研究进展及其在船舶与海洋工程水动力学问题中的应用现状进行介绍.从计算精度方面,介绍了研究人员为提高压力场的光滑性及稳定性,对粒子间相互作用模型做出的多种改进.从计算效率方面,介绍了提高MPS方法计算速度的主要技术手段,同时从扩展MPS方法在实际水动力学问题中应用范围的角度,介绍了研究人员在数值边界条件和多相流方面做出的贡献.本文回顾了MPS方法在船舶与海洋工程典型水动力学问题中的应用成果,对该方法在数值格式改进、与其他方法耦合及三维复杂实际工程应用方面的发展空间进行了展望.%The moving particle semi-implicit (MPS) method, a recently introduced meshless method based on La-grangian description,has drawn increasing attention from researchers owing to its advantages in handling flows char-acterized by a violent free surface. In this paper,we focus on the development and application of the MPS method to marine hydrodynamic problems. To ensure computational accuracy, we introduce various improvements on the particle interaction model to enhance computation stability and pressure smoothness. We then present some compu-tational acceleration techniques for increasing computational efficiency. To apply the MPS method to hydrodynamic problems,researchers must address a number of issues relating to the boundary conditions and multiphase flow model. We review some of thelatest naval architecture and ocean engineering applications using the MPS method and evaluate its potential developments with respect to its numerical format, combination with other methods, and application to three-dimensional problems.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】18页(P955-972)【关键词】无网格粒子法;移动粒子半隐式方法;并行加速技术;重叠粒子技术;多分辨率粒子技术;多相流;流固耦合【作者】陈翔;张友林;万德成【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O35;U663移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit, MPS)是一种基于Lagrangian系统描述流场的无网格粒子类方法，采用任意分布的粒子对流场进行空间离散，基于预估-修正(半隐式)的方式来求解流体控制方程，通过核函数表征的相互作用模型实现粒子间质量、动量、压力等信息的传递。
伯努利方程的原理及其应用摘要：伯努利方程是瑞士物理学家伯努利提出来的，是理想流体做稳定流动时的基本方程，是流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。
伯努利方程对于确定流体内部各处的压力和流速有很大意义，在水利、造船、航空等部门有着广泛的应用。
关键词：伯努利方程发展和原理应用1.伯努利方程的发展及其原理：伯努利方程是瑞士物理学家伯努利提出来的，是理想流体做稳定流动时的基本方程，流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。
对于确定流体内部各处的压力和流速有很大意义，在水利、造船、航空等部门有着广泛的应用。
伯努利方程的原理，要用到无黏性流体的运动微分方程。
无黏性流体的运动微分方程：无黏性元流的伯努利方程：实际恒定总流的伯努利方程：z1++=z2+++h w总流伯努利方程的物理意义和几何意义：Z----总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的位能，位置高度或高度水头；----总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的压能，测压管高度或压强水头；----总流过流断面上单位重量流体的平均动能，平均流速高度或速度水头；hw----总流两端面间单位重量流体平均的机械能损失。
总流伯努利方程的应用条件：（1）恒定流；（2）不可压缩流体；（3）质量力只有重力；（4）所选取的两过水断面必须是渐变流断面，但两过水断面间可以是急变流。
（5）总流的流量沿程不变。
（6）两过水断面间除了水头损失以外，总流没有能量的输入或输出。
（7）式中各项均为单位重流体的平均能（比能），对流体总重的能量方程应各项乘以ρgQ。
2.伯努利方程的应用:伯努利方程在工程中的应用极其广泛，下面介绍几个典型的例子：※文丘里管：文丘里管一般用来测量流体通过管道时的流量。
新一代差压式流量测量仪表，其基本测量原理是以能量守恒定律——伯努力方程和流动连续性方程为基础的流量测量方法。
流体力学模拟在洪水预测中的应用摘要洪水是一种具有巨大破坏力的自然灾害，准确预测洪水的发生和发展对于减少洪灾损失和保护人民的生命财产至关重要。
而流体力学模拟是一种有效的工具，可以帮助我们理解和预测洪水的行为。
本文将介绍流体力学模拟在洪水预测中的应用，包括数值模拟方法、模型选择和参数设置等方面的内容，并讨论其在洪水预测中的应用前景和挑战。
1. 引言洪水是指由于降雨量大于地表径流能力而导致的地表水体暴涨的现象。
洪水带来的灾害主要包括人员伤亡、财产损失以及环境破坏等。
准确预测洪水的发生和发展对于社会和经济的可持续发展至关重要。
而流体力学模拟作为一种有效的工具，可以帮助我们理解和预测洪水的行为。
本文将详细介绍流体力学模拟在洪水预测中的应用。
2. 数值模拟方法在洪水预测中，数值模拟方法是一种常用的手段。
数值模拟方法通过对流体运动的方程进行离散化和求解，来模拟洪水的发展和演变过程。
常用的数值模拟方法包括有限元方法和有限差分方法等。
下面将介绍这些方法的基本原理和特点。
2.1 有限元方法有限元方法是一种利用网格离散化区域并在有限元空间上对流体运动方程进行近似求解的方法。
其基本思想是将复杂的连续介质分割成一系列简单的几何单元——有限元，通过在每个有限元上建立一套本构关系和适当的数学模型，来近似描述流体运动的行为。
有限元方法在洪水预测中具有较高的精度和稳定性，但计算量较大，适用于较小规模的预测。
2.2 有限差分方法有限差分方法是一种利用离散化的网格上的差分逼近来近似求解流体运动方程的方法。
其基本思想是将流域划分为一系列有限大小的方格，通过计算网格上的流体运动方程的差分逼近来模拟洪水的发展和演变。
有限差分方法在洪水预测中计算量较小，适用于大规模的预测，但精度相对较低。
3. 模型选择和参数设置在进行洪水预测的流体力学模拟中，模型选择和参数设置是非常重要的环节。
合理的模型选择和准确的参数设置可以提高模拟的精度和可靠性。
下面介绍一些常用的模型和参数。
基于计算流体力学的冲击式水轮机优化设计研究冲击式水轮机是一种能够将水流的动能转化为机械能的设备，具有高效率和稳定性的优点。
然而，在实际应用中，冲击式水轮机的设计与性能优化是个复杂的问题。
基于计算流体力学的优化设计研究可以为冲击式水轮机的设计和改进提供有力的支持。
首先，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一种数值模拟方法，可以求解流体运动方程和边界条件，通过对流动变量的计算和分析，优化冲击式水轮机的设计。
借助CFD方法，我们可以对水轮机内部流动进行细致的计算和分析，了解水流在叶轮和导叶上的流动特性，包括速度分布、压力分布和湍流情况等。
其次，基于CFD的优化设计研究可以通过调整冲击式水轮机各个部件的形状和布置来提高其性能。
例如，通过调整导叶的角度和位置，可以改变水流入口的压力和速度分布，从而实现最佳的水流驱动效果。
另外，优化叶轮的叶片形状和数量，可以提高水轮机的转速和功率输出，同时减小水轮机对水流的阻力。
在优化设计研究中，可以借助CFD软件建立计算模型，并选择合适的数值计算方法和边界条件。
通过对水轮机的流动场进行数值模拟和分析，可以得到详细的流动信息，并通过参数优化和灵敏度分析找出影响水轮机性能的关键因素。
这些信息可以用于指导水轮机的优化设计和改进。
此外，基于CFD的优化设计研究还可以进行多目标优化。
在设计冲击式水轮机时，往往需要兼顾功率输出、效率、压力脉动和叶轮的强度等多个因素。
通过建立多目标函数和多目标优化算法，可以实现对多个指标的综合考虑，找到最佳的设计方案。
需要注意的是，在进行基于CFD的优化设计研究时，需要准确而全面地考虑水轮机的工作条件和性能要求。
同时，还需要合理选择数值模拟的方法和计算参数，以保证计算结果的准确性和可靠性。
此外，优化设计研究还需要与实际工程经验相结合，进行验证和调整，以确保最终设计方案的可行性和优越性。
综上所述，基于计算流体力学的冲击式水轮机优化设计研究可以通过数值模拟和分析，实现对水轮机内部流动的细致计算和优化设计。
连续流体和非连续流体冲击力求解一、概述冲击力是指物体在空间内突然受到的动能的变化而产生的力，它是一种动能发挥的表现，它是动能和力之间的转化。
冲击力往往由物体受到空气流的冲击所产生，这种冲击力的作用往往会给物体带来一些不利的影响，因此，它是一种危险的现象，必须妥善处理。
冲击力的大小不仅取决于物体自己的物理特性，而且还与空气的流动有关，因此，对冲击力的求解必须考虑空气流动的情况。
连续流体和非连续流体冲击力的求解是在冲击力的求解中一个重要的研究方向。
它不仅可以帮助我们理解物体的受力情况，而且可以提供有关冲击力的实际应用经验。
本文将介绍连续流体和非连续流体冲击力求解的原理和方法。
二、连续流体冲击力求解1.冲击波传播当物体受到空气流的冲击时，就会产生冲击波，这些冲击波在空气中会以某种方式传播，从而产生一种“冲击力”。
连续流体中的冲击波传播是由波速所决定的，波速的大小取决于物体表面的反射系数和流体的密度等因素。
如果连续流体的密度越大，冲击波的波速就会越大，从而导致冲击力也会越大。
2.波速模型连续流体冲击力求解的关键是波速的模型。
首先，我们根据实际的流体密度和反射系数，可以建立出一个波速模型，从而计算出冲击力的大小。
其次，为了求解连续流体冲击力，我们可以使用不同的数值方法，如有限差分法、有限元法等，从而得到冲击力的具体值。
三、非连续流体冲击力求解1.非连续流体的特性非连续流体是指流体中有不同的流速，这种流体中的流动特性可以用湍流方程和散射方程来描述。
湍流方程描述的是流体中冲击波的传播，而散射方程则描述的是流体中涡流的传播。
由于非连续流体中同时存在冲击波和涡流，因此，对冲击力的求解要考虑这两种流动特性。
2.数值求解由于非连续流体中同时存在冲击波和涡流，因此，求解冲击力的方法也不同于连续流体。
对于非连续流体，我们可以采用不同的数值方法，如有限差分法、有限元法等，从而得到冲击力的具体值。
四、结论本文介绍了连续流体和非连续流体冲击力求解的原理和方法。
