×

液体晃动问题中破碎波效应的评估:ANCF/SPH对比研究。 (英语) Zbl 1430.76298号

小结:本文的重点是评估破碎波在液体晃动问题中的作用。两种根本不同的方法,即光滑粒子流体力学(SPH)和有限元(FE)绝对节点坐标公式(ANCF),用于描述几种晃动场景中的液体晃动响应。SPH方法是一种无网格的数值技术,通常用于捕捉流体和固体力学问题中的非常大的位移。另一方面,ANCF有限元可用于开发非增量求解程序,适用于承受大旋转和大变形的柔性体的非线性分析。讨论了这两种方法之间的根本区别以及各自的优点和局限性。两个基准问题溃坝晃动水箱,用于在不同晃荡情况下进行详细的SPH/ANCF定量比较研究。虽然在溃坝问题的ANCF和SPH收敛解之间发现了很好的一致性,但在晃荡箱问题中,SPH解低估了流体质心的振荡幅度和选定探测点处的波高。由于一个ANCF单元可以捕捉复杂形状,因此在这两个问题中所需的自由度比SPH模型少近40倍。ANCF模型的使用在溃坝和晃动水箱问题上分别节省了70%和25%的CPU。对于水箱问题,将检查轻度、中度和重度湍流的影响。使用这两种方法计算流体质心的位置,并使用参考解析解验证所得结果。利用快速傅里叶变换(FFT)计算质心的功率谱密度,以研究破碎波的影响。结果表明,在轻度和中度湍流情况下,ANCF模型能够准确平均流体的惯性特性,所得解与SPH解吻合良好。另一方面,在严重湍流的情况下,由于流体混合和波浪破碎引起的机械能耗散(只能使用SPH方法捕捉)会阻尼晃荡振荡。

MSC公司:

76英尺65英寸 湍流的直接数值模拟和大涡模拟
65N22型 含偏微分方程边值问题离散方程的数值解
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] Abdolmaleki,K.,Thiagarajan,K.P.,Morris-Thomas,M.T.:使用Navier-Stokes解算器模拟溃坝问题和冲击流。模拟13、17(2004)
[2] Beissel,S.,Belytschko,T.:无单元Galerkin方法的节点积分。计算。方法应用。机械。工程139、49-71(1996)·Zbl 0918.73329号 ·doi:10.1016/S0045-7825(96)01079-1
[3] Belytschko,T.,Guo,Y.,Liu,W.K.,Xiao,S.P.:无网格粒子方法的统一稳定性分析。国际期刊数字。方法工程48,1359-1400(2000)·Zbl 0972.74078号 ·doi:10.1002/1097-0207(20000730)48:9<1359::AID-NME829>3.0.CO;2-U型
[4] Belytschko,T.,Krongauz,Y.,Dolbow,J.,Gerlach,C.:关于无网格粒子方法的完整性。国际期刊数字。《方法工程》43(5),785-819(1998)·Zbl 0939.74076号 ·doi:10.1002/(SICI)1097-0207(19981115)43:5<785::AID-NME420>3.0.CO;2至9
[5] Belytschko,T.、Krongauz,Y.、Organ,D.、Fleming,M.、Krysl,P.:无网格方法:概述和最新发展。计算。方法应用。机械。工程139(1-4),3-47(1996)·Zbl 0891.73075号 ·doi:10.1016/S0045-7825(96)01078-X
[6] Benz,W.,Asphaug,E.:断裂冲击模拟:I.方法和试验。伊卡洛斯1233,98-116(1994)·doi:10.1006/icar.1994.1009
[7] Benz,W.,Asphaug,E.:使用平滑粒子流体动力学模拟脆性固体。计算。物理。Commun公司。87, 253-265 (1995) ·兹比尔0918.73335 ·doi:10.1016/0010-4655(94)00176-3
[8] Bogaert,H.,Kaminski,M.L.,Brosset,L.:为更好地理解晃动而进行的全面和大规模波浪冲击试验:晃动项目的结果。摘自:《ASME第30届海洋、海上和北极工程会议论文集》,荷兰鹿特丹,OMAE2011-49992,第11页(2011)
[9] Bonet,J.,Lok,T.S.:光滑粒子流体动力学公式的变化和动量保持方面。计算。方法应用。机械。工程180、97-115(1999)·Zbl 0962.76075号 ·doi:10.1016/S0045-7825(99)00051-1
[10] Bouscasse,B.,Colagrossi,A.,Souto Iglesias,A.,Cercosa Pita,J.L.:全耦合角运动系统中由晃动和波浪破碎引起的机械能耗散,I:理论公式和数值研究。物理。流体26(033103),21(2014)
[11] Bredmose,H.,Peregrine,D.H.,Bullock,G.N.:猛烈的波浪冲击,第2部分:模拟空气的影响。J.流体力学。641, 389-430 (2009) ·Zbl 1183.76628号 ·doi:10.1017/S0022112009991571
[12] Bullock,G.N.,Obhrai,C.,Peregrine,D.H.,Bredmose,H.:猛烈的波浪冲击。第1部分:垂直和倾斜墙壁上的大型规则波试验结果。海岸。工程54(8),602-617(2007)
[13] Chen,J.K.,Beraun,J.E.:非线性动力学问题的广义光滑粒子流体动力学方法。计算。方法应用。机械。工程190225-239(2000)·Zbl 0967.76077号 ·doi:10.1016/S0045-7825(99)00422-3
[14] Chen,J.K.,Beraun,J.E.,Carney,T.C.:热传导边值问题的修正平滑粒子法。国际期刊数字。方法工程46,231-252(1999)·Zbl 0941.65104号 ·doi:10.1002/(SICI)1097-0207(19990920)46:2<231::AID-NME672>3.0.CO;2公里
[15] Cho,J.R.,Lee,H.W.:二维储罐中大振幅晃动流的非线性有限元分析。国际期刊数字。方法工程61,514-531(2004)·Zbl 1075.76568号 ·doi:10.1002/nme.1078
[16] Colagrossi,A.,Colicchio,G.,Lugni,C.,Brocchini,M.:使用改进的SPH方法研究剧烈晃荡波冲击。J.海德鲁。第48号决议、第94-104号决议(2010年)·doi:10.1080/00221686.2010.9641250
[17] Colagrossi,A.,Landrini,M.:光滑粒子流体动力学对界面流动的数值模拟。J.计算。物理。191, 448-475 (2003) ·Zbl 1028.76039号 ·doi:10.1016/S0021-9991(03)00324-3
[18] Faltinsen,O.M.:二维流动储罐中晃动的数值非线性方法。《船舶研究杂志》第18卷第4期,第224-241页(1978年)
[19] Faltinsen,O.M.,Timokha,A.N.:有限水深矩形水池非线性晃动的多维模态分析。J.流体力学。407, 201-234 (2000) ·Zbl 0990.76006号 ·doi:10.1017/S0022112099007569
[20] Faltinsen,O.M.,Timokha,A.N.:小流体深度矩形储罐中非线性共振晃动的渐近模态近似。J.流体力学。470, 319-357 (2002) ·Zbl 1163.76325号 ·doi:10.1017/S00221120020112
[21] O.M.,Faltinsen,A.N.,Timokha:晃动。剑桥大学出版社,剑桥(2009)·Zbl 1250.76026号
[22] Gingold,R.A.,Monaghan,J.J.:平滑粒子流体动力学:非球形恒星的理论和应用。周一。不是。R.阿斯顿。Soc.181375-389(1977年)·兹比尔0421.76032 ·doi:10.1093/mnras/181.3.375
[23] Gotoha,H.、Khayyera,A.、Ikari,H.:关于增强不可压缩SPH方法以模拟剧烈晃动流动。申请。海洋研究46,104-115(2014)·doi:10.1016/j.apor.2014.02.005
[24] Gray,J.、Monaghan,J.J.、Swift,R.P.:SPH弹性动力学。计算。方法应用。机械。工程1906641-6662(2001)·Zbl 1021.74050号 ·doi:10.1016/S0045-7825(01)00254-7
[25] Gray,J.A.,Monaghan,J.J.:岩浆室周围应力场和断裂的数值模拟。J.火山。地热的。第135、259-283号决议(2004年)·doi:10.1016/j.jvolgeores.2004.03.005
[26] Grenier,N.、Antuono,M.、Colagrossi,A.、Le Touze,D.、Alessandrini,B.、Le Tuuzé,D.:多流体和自由表面流动的哈密顿界面SPH公式。J.计算。物理。228(22), 8380-8393 (2009) ·Zbl 1333.76056号 ·doi:10.1016/j.jcp.2009.08.009
[27] Grossi,E.,Shabana,A.A.:流体-结构相互作用问题的总拉格朗日ANCF解程序验证。J.验证有效。不确定。数量。2(4), 041001-1-041001-13 (2017)
[28] Grossi,E.,Shabana,A.A.:ANCF对铁路车辆系统中原油晃动的分析。J.声音振动。433, 493-516 (2018) ·doi:10.1016/j.jsv.2018.06.035
[29] Grossi,E.,Shabana,A.A.:高频ANCF模式分析:Navier-Stokes物理阻尼和隐式数值积分。机械学报(2019)。https://doi.org/10.1007/s00707-019-02409-8 ·doi:10.1007/s00707-019-02409-8
[30] Grüneisen,E.:Festen Zustandes Einatomiger Elemente理论。安·物理。344(12), 257-306 (1912) ·JFM 43.1046.03号机组 ·doi:10.1002/和p.19123441202
[31] Hosain,M.L.,Sand,U.,Bel Fdhila,R.:运载船油箱中液体晃动的数值研究。IFAC巴普。51, 583-588 (2018) ·doi:10.1016/j.ifacol.2018.03.098
[32] Hu,X.Y.,Adams,N.A.:宏观和介观流动的多相SPH方法。J.计算。物理。213(2), 844-861 (2006) ·Zbl 1136.76419号 ·doi:10.1016/j.jp.2005.09.001
[33] Hu,Z.Z.,Mai,T.,Greaves,D.,Raby,A.:海上破碎波对大型海上结构物的影响研究。J.流体结构。75, 99-116 (2017) ·doi:10.1016/j.jfluidstructs.2017.08.005
[34] Ibrahim,R.A.,Pilipchuk,V.N.,Ikeda,T.:液体晃动动力学的最新进展。申请。机械。第54(2)版,133-199(2001)·数字对象标识代码:10.1115/1.3097293
[35] Ibrahim,Raouf A.:液体晃动动力学:理论与应用。剑桥大学出版社,剑桥(2005)·Zbl 1103.76002号 ·doi:10.1017/CBO9780511536656
[36] 易卜拉欣,R.A.:《流体参数晃动物理及相关问题的最新进展》,ASME。《流体工程杂志》(2015)。https://doi.org/10.1115/1.4029544
[37] 易卜拉欣,R.A.,辛格,B.:地面车辆油轮与液体晃动动力学相互作用的评估。国际J重型车辆。系统。25(1), 23-112 (2018)
[38] Iglesias,A.S.、Rojas,L.P.、Rodriguez,R.Z.:使用平滑粒子流体动力学模拟防侧倾储罐和晃动类型问题。海洋工程311169-1192(2004)·doi:10.1016/j.oceaneng.2003.09.002
[39] Kim,J.W.,Shin,Y.S.,Bai,K.J.:液化天然气储罐晃动的有限元计算。ABS技术论文(2002)
[40] Kim,Y.:冲击载荷下晃动流动的数值模拟。申请。海洋研究23,53-62(2001)·doi:10.1016/S0141-1187(00)00021-3
[41] Kim,Y.,Shin,Y.S.,Lee,K.H.:三维棱柱形储罐晃动诱导冲击压力的数值研究。申请。海洋研究26,213-226(2004)·doi:10.1016/j.apor.2005.03.004
[42] Li,S.,Liu,W.K.:无网格粒子方法。柏林施普林格出版社(2007)·Zbl 1073.65002号
[43] 利伯斯基,LD;Petschek,AG公司;Treese,HE(编辑);Fritts,MJ(编辑);克劳利,WP(编辑),《材料强度的光滑粒子流体动力学》,248-257(1991),柏林
[44] Lin,P.,Liu,P.L.F.:碎波带破碎波的数值研究。J.流体力学。359, 239-264 (1998) ·Zbl 0916.76009号 ·doi:10.1017/S002211209700846X
[45] Liu,G.R.,Liu,M.B.:光滑粒子流体动力学:无网格粒子方法。《世界科学》,新加坡(2003年)·Zbl 1046.76001号 ·doi:10.1142/5340
[46] Liu,D.M.,Lin,P.Z.:储罐中三维液体晃动的数值研究。J.计算。物理。227, 3921-3939 (2008) ·Zbl 1317.76061号 ·doi:10.1016/j.jcp.2007.12.006
[47] Liu,D.M.,Lin,P.Z.:带挡板的储罐中的三维液体晃动。海洋工程36,202-212(2009)·doi:10.1016/j.oceaneng.2008.10.004
[48] Liu,M.B.,Feng,D.L.,Guo,Z.M.:用于模拟爆炸和冲击问题的改进SPH方法。APCOM和ISCM,弗罗茨瓦夫(2013)
[49] Lobovsky,L.、Botia-Vera,E.、Castellana,F.、Mas-Soler,J.、Souto-Iglesias,A.:溃坝期间动压荷载的实验研究。J.流体结构。48, 407-434 (2014) ·doi:10.1016/j.jfluidstructs.2014.03.009
[50] Love,J.S.,Tait,M.J.:任意储罐形状调谐液体阻尼器的等效线性化力学模型。《流体工程杂志》133(6),061105(2011)·doi:10.1115/1.4004080
[51] Love,J.S.,Tait,M.J.:具有修改底部几何形状的2D调谐液体阻尼器的线性晃动模型。可以。J.公民。工程41(2),106-117(2013)·doi:10.1139/cjce-2013-0106
[52] LS-DYNA \[^{\copyright}\]©关键词用户手册-LSTC(2018)
[53] Lucy,L.B.:裂变假说测试的数值方法。天文学。J.82,1013(1977年)·doi:10.1086/112164文件
[54] Martin,J.C.,Moyce,W.J.:刚性平面上液柱坍塌的实验研究。菲洛斯。事务处理。R.Soc.伦敦。序列号。A 244312-324(1952)
[55] Martin,J.C.,Moyce,W.J.:第四部分——刚性水平面上液柱坍塌的实验研究。菲洛斯。事务处理。R.Soc.伦敦。数学。物理。工程科学。244(882), 312-324 (1952)
[56] Mie,G.:Einatomigen Körper的Zur kinetischen理论。安·物理。316(8),657-697(1903)·JFM 34.0983.01号 ·doi:10.1002/和p.19033160802
[57] Monaghan,J.J.,Poinracic,H.:颗粒法的人工粘度。申请。数字。数学。1(3), 187-194 (1985) ·Zbl 0607.76069号 ·doi:10.1016/0168-9274(85)90015-7
[58] Monaghan,J.J.,Rafiee,A.:高密度比多流体流动的简单SPH算法。国际期刊数字。方法流体71,537-561(2013)·Zbl 1430.76400号 ·doi:10.1002/fld.3671
[59] Nicolsen,B.,Wang,L.,Shabana,A.:复杂车辆运动场景中液体晃动的非线性有限元分析。J.声音振动。405, 208-233 (2017) ·doi:10.1016/j.jsv.2017.05.021
[60] Nugent,S.,Posch,H.A.:应用平滑粒子力学的液滴和表面张力。物理。版本E 62(4),4968-4975(2000)·doi:10.1103/PhysRevE.62.4968
[61] Obhrai,C.、Bullock,G.、Wolters,G.和Müller,G.,Peregrine,H.、Bredmose,H.和Grüne,J.:垂直和倾斜墙壁上的猛烈波浪冲击:大型模型试验。海岸。工程2004,4075-4086(2005)
[62] Olshevskiy,A.,Dmitrochenko,O.,Kim,C.:使用绝对节点坐标公式的三节点和四节点平面元素。多体系统。动态。29(3), 255-269 (2013) ·doi:10.1007/s11044-012-9314-y
[63] Olshevskiy,A.,Dmitrochenko,O.,Kim,C.W.:在绝对节点坐标公式中使用斜率的三维实心砖单元。ASME J.计算。非线性动力学。9(2), 021001 (2013) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4024910
[64] Rafiee,A.,Dutykh,D.,Dias,F.:使用两相可压缩SPH方法对波浪对刚性壁的冲击进行数值模拟。程序。IUTAM交响乐团。第部分。方法流体动力学。18, 123-137 (2015)
[65] Randles,P.W.,Libersky,L.D.:平滑粒子流体动力学:一些最近的改进和应用。计算。方法应用。机械。工程139、375-408(1996)·Zbl 0896.73075号 ·doi:10.1016/S0045-7825(96)01090-0
[66] Randles,P.W.,Libersky,L.D.:私人通信(1997)
[67] 里特,A.:沃瑟维伦的命运。Z.版本.重音。Ing 36,947-954(1982)
[68] Shabana,A.A.:多体系统分析的ANCF参考节点。程序。仪器机械。工程部分K J.多体动力学。229(1), 109-112 (2015)
[69] Shabana,A.A.:计算连续力学,第3版。奇切斯特·威利(2018)·Zbl 1382.74001号 ·doi:10.1002/9781119293248
[70] Shao,J.R.,Li,H.Q.:一种改进的SPH液体晃动动力学建模方法。计算。结构。100-101, 18-26 (2012) ·doi:10.1016/j.compstruc.2012.02.05
[71] Shao,J.R.,Li,H.Q.,Liu,G.R.,刘,M.B.:模拟液体晃动动力学的改进SPH方法。计算。结构。100, 18-26 (2012) ·doi:10.1016/j.compstruc.2012.02.05
[72] Shi,H.,Wang,L.,Nicolsen,B.,Shabana,A.A.:铁路车辆动力学中液体晃动研究的几何与分析集成。程序。仪器机械。工程部分K J.多体动力学。231(4), 608-629 (2017)
[73] Tait,M.J.:结构-TLD系统的建模和初步设计。工程结构。30(10), 2644-2655 (2008) ·doi:10.1016/j.engstruct.2008.02.017
[74] Teng,B.,Zhao,M.,He,G.H.:二维容器中水晃动的比例边界有限元分析。国际期刊数字。《液体方法》329,4466-4485(2006)·Zbl 1105.76040号
[75] Vignjevic,R.,Campbell,J.,Libersky,L.:平滑粒子流体动力学方法中零能量模式的处理。计算。方法应用。机械。工程184(1),67-85(2000)·Zbl 0989.74079号 ·doi:10.1016/S0045-7825(99)00441-7
[76] Vishal,M.、Sijoy,C.D.、Vinayak,M.和Shashank,C.:SPH冲击问题中的拉伸不稳定性和人为应力。《物理学杂志》。Conf.序列号。377, 012102 (2012) ·doi:10.1088/1742-6596/377/1/01202
[77] Wang,L.,Octavio,J.R.J.,Wei,C.,Shabana,A.A.:车辆系统动力学的低阶连续液体晃动公式。J.计算。非线性动力学。10(2), 021022 (2015) ·doi:10.1115/1.4027836
[78] Wei,C.,Wang,L.,Shabana,A.A.:多体系统应用的总拉格朗日ANCF液体晃动方法。ASME J.计算。非线性动力学。10(5), 051014 (2015) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4028720
[79] Wen,Y.,Hicks,D.L.,Swegle,J.W.:通过保守平滑稳定SPH。技术报告SAND94-1932,桑迪亚国家实验室(1994)
[80] Wu,G.X.,Ma,Q.W.,Taylor,R.E.:基于有限元方法的三维储罐中晃荡波的数值模拟。申请。海洋研究20(6),337-355(1998)·doi:10.1016/S0141-1187(98)00030-3
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。