美国海军为解决船舶进水的问题,与MARIN以湍流模型为理论基础共同开发了一款时域模拟软件——FREDYN。一些学者研究后发现其运算结果和实船模型的测试
美国海军为解决船舶进水的问题,与MARIN以湍流模型为理论基础共同开发了一款时域模拟软件——FREDYN。一些学者研究后发现其运算结果和实船模型的测试结果相吻合。它能够计算船舶破损后的剩余稳性,这一点在滚装船上已经得到了确认,但是大型客船因其结构和设备过于复杂还没有被研究过。
2、 网格法的发展现状
以目前的技术来说,研究变形很大的运动流体单靠数值方法还是比较困难的。在许多应用性技术之中,其主要核心还是移动界面,因此能否处理好移动界面的问题显得尤为突出。在各学科领域中,一些现象广为人知。比如:气泡现象、润湿现象、毛细作用、流体相隔现象。我们只有对其原理有足够的了解,才能用物理的方式来描述这些问题。同样的道理,只有借助一些追踪界面的方法,才能成功地将移动界面数值化。
学者们相继提出了很多记录界面变化的技术,这些技术大多都是建立在网格法之上的。1965年,Welch和Harlow提出了一种标记网格的方法——(MAC)[12],1981年,Nichols和Hirt提出了另一种标记方法——流体体积法(VOF)[13],这两种方法中,前者是在单个粒子的基础上描述整体的流动过程,后者则截然不同。但是分析自由表面模型是这两个方法的共同目标,数值扩散也是这两种方案都存在的问题,其原因是破碎现象、大变形的自由表面以及对流项的存在,这在求解方程时是难以避免的。此外,还有一些方法也能够很好的用于解决流体的界面问题,比如相场法和CIP法。实际情况比模拟实验要复杂得多,波浪破碎、海浪拍击等意外状况带来的是很大的流体变形问题,传统数值方法遇上这些情况显得有些捉襟见肘。
尽管很难在后续研究中调整网格,但是自适应网格法由于其界面高度的清晰性,还是受到许多学者的推崇,这一点主要是通过改变计算网格,将界面用连续曲线表示来实现的。
保持固定网格的不变,由附加计算因子来决定界面的方法叫作界面追踪法。因为随着计算步骤的推进,必须要在界面网格内粒子密度较稀少的区域加入计算点,在粒子密度较大的区域去除计算点来实现对界面网格的动态重建,所以这种方法还没有解决界面和固定网格相互作用的问题。界面追踪法还有一个难点在于对两个界面的合并,以此在避免删去某个界面的前提下表示出两个界面之间相互作用的结果。
与上面应用欧拉法的方法相比,拉格朗日法在解决移动边界问题时具有显著的优势。无规律网格所导致的不准确数值和网格扰乱是拉格朗日法的两个弊端。质点法是另外一种流体的拉格朗日描述方式,该方法中质点有确定的属性,因此可以很容易的追寻界面。PIC法是一种有效的拉格朗日网格法,它通过用欧拉法将流体区域按照其介质的成分划分为一些不同的网格,把对单个拉格朗日质点的研究集中起来共同展现流体的运动状况,在处理激波间断问题时经常能够得到应用。每个单元格里的质点分布和质点数都是以流体的初始状态为标准,将没有流体质点的网格叫做纯单元格,将只含有一种粒子的网格叫做纯单元网格,将含有两种和两种以上的叫做混合网格。同时每个质点都具有相关的属性值,如能量、质量和速度等。计算流体质点时,需要考虑到其能量、速度和质量等对运动的影响,不同粒子在网格里进入或离开,从宏观的角度看来就是流体的整体运动。想要计算质点的实际位移,就必须要先使用差分法来计算粒子在单位时间里能量和动量的变化,然后将变化的能量以一定的规律附加到不同的流体质点之上,紧接着要计算出单个流体质点的位移和速度,这是建立在计算出质点位移的基础上来实现的。粒子在不同网格之间运动时,需要考虑到其自身所存在的能量、质量和动量等物理性质,这种考虑存在一定的弊端,即流体质点如果太少可能会导致少数极端不规则现象从而影响到实验结果,也可能会使空间分辨率由于使用欧拉网格法而显得有些过低。但是,这种方法也有其优点,它能够实现自然的耗散效应,从而缩小起伏现象对质点的影响。