基于GNN和ISPH耦合方法的波浪与结构物相互作用数值模拟研究

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作者 张宁波 倪宝玉 +2 位作者 薛彦卓 武奇刚 袁广宇 《力学学报》 北大核心 2025年第4期816-828,共13页

波浪与结构物相互作用的研究因其在海洋结构物设计、操作及安全性方面的关键性作用而受到广泛关注.作为一种无网格数值方法,不可压缩光滑粒子流体动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics,ISPH)方法正逐渐成为研究波浪... 波浪与结构物相互作用的研究因其在海洋结构物设计、操作及安全性方面的关键性作用而受到广泛关注.作为一种无网格数值方法,不可压缩光滑粒子流体动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics,ISPH)方法正逐渐成为研究波浪与结构相互作用问题的潜力工具.在传统的ISPH方法中,压力是通过求解压力泊松方程(pressure Poisson equation,PPE)获得的,这是整个计算过程最为耗时的部分.采用一种图神经网络(graph neural network,GNN)与ISPH相结合的耦合方法(ISPH_GNN)对波浪与结构物相互作用展开数值模拟研究.在ISPH_GNN中,GNN模型用于预测流体压力,取代了传统ISPH方法中的PPE求解过程.文章的一项贡献是揭示了基于相对简单算例生成的数据训练的GNN模型可以有效地应用于相对更复杂的波浪与结构物相互作用问题.具体而言,本文采用基于溃坝和液舱晃荡算例数据训练而成的GNN模型,并将其与ISPH方法相结合,构建了ISPH_GNN方法,以模拟不同的波浪与结构相互作用问题,包括孤立波冲击阶梯结构、规则波冲击水下梯形结构物和规则波与浮式箱体的相互作用.仿真结果显示,ISPH_GNN在这些不同场景下均能提供令人满意的模拟结果,展现了其在波浪与结构相互作用问题上的良好泛化能力.文章的另一项重要贡献在于,与传统ISPH方法相比,ISPH_GNN在取得相似甚至略高计算精度的同时,显著提升了压力预测的计算效率,尤其是在处理大规模粒子数的波浪-结构物相互作用仿真时.例如,在包含130万粒子的模拟工况下,ISPH_GNN的压力预测速度提升了多达93倍.研究结果突显了ISPH_GNN方法在波浪-结构物相互作用仿真中的巨大潜力,可为海洋工程提供一种更具可扩展性和计算高效性的仿真工具. 展开更多

关键词 波浪与结构物相互作用 不可压缩光滑粒子流体动力学 图神经网络 耦合方法 压力泊松方程 压力 预测

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波-粘性流-海洋结构物的相互作用

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作者 万德成 《上海大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 1997年第1期1-8,共8页

波－粘性流－海洋结构物相互作用的研究对海洋结构物附近地基的冲刷估计和防护是十分重要的．目前对这一问题的研究还不多．本文基于水深平均雷诺方程和水深平均ｋ－ε模型，对典型海洋结构物直立圆柱附近的粘性波流场进行了数值模拟．... 波－粘性流－海洋结构物相互作用的研究对海洋结构物附近地基的冲刷估计和防护是十分重要的．目前对这一问题的研究还不多．本文基于水深平均雷诺方程和水深平均ｋ－ε模型，对典型海洋结构物直立圆柱附近的粘性波流场进行了数值模拟．在数值计算中，应用了差分法、余量校正法和人工开边界条件．本文对雷诺数为１０５粘性流和正弦波联合作用时直立圆柱附近的波流场进行了计算．计算结果表明。 展开更多

关键词 相互作用 粘性流体 海洋结构物 波浪 数值计算

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三维波浪作用下大直径圆柱绕流的数值模拟 被引量：16

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作者 祝兵 宋随弟 谭长建 《西南交通大学学报》 EI CSCD 北大核心 2012年第2期224-229,共6页

为探讨三维波浪与结构物的相互作用,以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积(VOF)法为基础,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型;对三维波浪作用下大直径圆柱绕流进行了数值模拟... 为探讨三维波浪与结构物的相互作用,以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积(VOF)法为基础,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型;对三维波浪作用下大直径圆柱绕流进行了数值模拟,用两步边界定位法和虚拟边界力法确定波浪与结构物接触面.结果表明:大直径圆柱绕流系数的数值计算结果与理论解吻合,所建立的数学模型能够很好地模拟三维波浪与结构物的相互作用. 展开更多

关键词 三维波浪与结构物相互作用 流体体积(VOF)法 大涡模拟 两步边界定位法 虚拟边界力法

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不同截面形状淹没水平柱体上波浪力数值模拟研究 被引量：1

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作者 毛鸿飞 郑伟江 +1 位作者 马英超 曾锦汶 《大连理工大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期507-515,共9页

基于黏性流理论,采用有限体积法,考虑多种波浪参数和截面形状,计算淹没水平柱体在波浪作用下的受力.通过受力分解和局部流场特征分析,探究了波浪参数和截面形状对柱体受力的影响.结果表明,3种不同截面形状柱体受力主要由惯性力主导,柱... 基于黏性流理论,采用有限体积法,考虑多种波浪参数和截面形状,计算淹没水平柱体在波浪作用下的受力.通过受力分解和局部流场特征分析,探究了波浪参数和截面形状对柱体受力的影响.结果表明,3种不同截面形状柱体受力主要由惯性力主导,柱体的淹没体积更大程度地决定了柱体所受波浪力的大小.在相同宽高比条件下,矩形柱淹没体积最大,其次是曲边矩形柱,最小的是椭圆柱.因此,综合考虑3种截面形状淹没水平柱体,矩形柱所受波浪力最大,椭圆柱所受波浪力最小,且随着宽高比的增大逐渐减小. 展开更多

关键词 淹没水平柱体 黏性流 波浪与结构物相互作用 流体动力学 数值计算

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稀土-碱金属离子-吡啶二羧酸配合物[HoNa_(3)(2,6-dipic)_(3)(H_(2)O)_(8)]·4H_(2)O的结构及性质

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作者 张雅琦 吕雪川 +3 位作者 张晓帆 柯越 黄雪 高肖汉 《化学研究与应用》 CAS 北大核心 2023年第7期1710-1715,共6页

合成了具有空间三维孔道结构的稀土-碱金属离子-吡啶二羧酸异核配合物[HoNa_(3)(2,6-dipic)_(3)(H_(2)O)_(8)]·4H_(2)O(CCDC:2245294),通过单晶X-射线衍射、热重、磁性分析对该化合物进行了表征。单晶结果表明,该化合物为单斜晶系... 合成了具有空间三维孔道结构的稀土-碱金属离子-吡啶二羧酸异核配合物[HoNa_(3)(2,6-dipic)_(3)(H_(2)O)_(8)]·4H_(2)O(CCDC:2245294),通过单晶X-射线衍射、热重、磁性分析对该化合物进行了表征。单晶结果表明,该化合物为单斜晶系,空间群为P2_(1/c),a=9.6973(14)?,b=19.179(4)?,c=18.060(3)?,α=γ=90°,β=91.534(5)°。配合物[HoNa_(3)(2,6-dipic)_(3)(H_(2)O)_(8)]·4H_(2)O的配位单元由Na^(+)通过O原子桥连,形成二维网状结构,再由C—H…O形式的氢键将结构拓展为三维结构。配合物热分解过程大致分为两个阶段,有较好的热稳定性。通过变温磁化率可推断出配合物中稀土离子之间具有反铁磁相互作用,实际有效磁矩的计算表明配体对稀土离子Ho~Ⅲ的磁交换作用影响较小。 展开更多

关键词 吡啶二羧酸 配合物 三维结构 反铁磁相互作用

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高斯求积在三维分布源法中的应用 被引量：4

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作者 宋竞正 段文洋 +1 位作者 邹元杰 秦洪德 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 2002年第1期15-19,共5页

三维分布源法广泛应用于各种海洋结构物的波浪载荷计算 .其中格林函数及其空间导数沿面元的积分和面元上流体力的计算是十分重要的 .首先阐述了基于四边形面元几何特性的二重高斯型求积公式 .接着讨论了如何应用这一公式计算三维分布源... 三维分布源法广泛应用于各种海洋结构物的波浪载荷计算 .其中格林函数及其空间导数沿面元的积分和面元上流体力的计算是十分重要的 .首先阐述了基于四边形面元几何特性的二重高斯型求积公式 .接着讨论了如何应用这一公式计算三维分布源法中面元中心诱导速度和面元流体力积分 ,给出了相应的算例 .实际数值计算结果表明 ,在三维分布源法中面元诱导速度及流体力数值计算中采用 2× 2高斯积分 ,一般可以兼顾到计算精度和计算效率两方面的要求 . 展开更多

关键词 三维分布源法 格林函数 高斯型求积 海洋结构物 波浪载荷

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三维分布源法中面元流体力的积分 被引量：1

7

作者 宋竞正 段文洋 +1 位作者 邹元杰 秦洪德 《船舶力学》 EI 2002年第4期24-32,共9页

三维分布源法广泛应用于各种海洋结构物的波浪载荷计算。其中格林函数及其空间导数沿面元的积分和面元上流体力的计算是十分重要的。本文首先阐述了基于四边形面元几何特性的二重高斯型求积公式。接着讨论了如何应用这一公式计算三维分... 三维分布源法广泛应用于各种海洋结构物的波浪载荷计算。其中格林函数及其空间导数沿面元的积分和面元上流体力的计算是十分重要的。本文首先阐述了基于四边形面元几何特性的二重高斯型求积公式。接着讨论了如何应用这一公式计算三维分布源法中面元中心诱导速度和面元流体力积分 ,给出了相应的算例。最后还导出了适合计算任意形状四边形面元上波浪主干扰力的解析表达式 。 展开更多

关键词 三维分布源法 面元流体力 高斯型求积 格林函数 海洋结构物 波浪载荷 计算

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波浪中浮体运动与遭遇荷载计算研究 被引量：8

8

作者 王言英 《大连理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第3期313-319,共7页

给出随机波浪运动要素及其作用下流场的分析方法和海洋结构物的运动与遭遇荷载的计算方法.关于我国沿海设计波参数的预报、非线性波流场的计算、修正的切片法和三维浮体运动与荷载的面元计算法的研究成果及其相应的计算机程序,已经部分... 给出随机波浪运动要素及其作用下流场的分析方法和海洋结构物的运动与遭遇荷载的计算方法.关于我国沿海设计波参数的预报、非线性波流场的计算、修正的切片法和三维浮体运动与荷载的面元计算法的研究成果及其相应的计算机程序,已经部分地得到了试验和相关研究成果的验证,并获得了船舶与海洋结构物设计工程的应用. 展开更多

关键词 浮体运动 Morison方程 切片法 三维源汇分布法 波浪理论 浮式海洋结构物 船舶设计

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前板可旋转的双垂板结构水动力特性的理论研究

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作者 欧泽挺 邓争志 +1 位作者 任翔 赵西增 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2021年第2期98-109,共12页

振荡水柱波能转换装置的最大转换效率往往受到腔内水柱共振机制的直接影响。通过对装置的基本结构进行简化,提出了一种前墙可绕固定轴旋转的双垂板式结构系统,旨在通过前墙的旋转运动进一步加剧水柱的振荡,从而对腔内水柱的共振机制进... 振荡水柱波能转换装置的最大转换效率往往受到腔内水柱共振机制的直接影响。通过对装置的基本结构进行简化,提出了一种前墙可绕固定轴旋转的双垂板式结构系统,旨在通过前墙的旋转运动进一步加剧水柱的振荡,从而对腔内水柱的共振机制进行调节和控制。基于线性波理论,采用匹配特征函数展开法对波浪与双垂板结构的相互作用进行理论研究,针对流场在结构物尖角附近的奇异性特征,将公共界面上的速度分布基于切比雪夫多项式近似展开,并应用区域间的速度与压力连续条件进行求解。通过分析结构的几何参数对反射透射系数、平均波面高程、前墙旋转振幅以及前墙与水面间相位差的影响,深究其共振机理,为振荡水柱波能转换装置的效率优化机制提供理论依据。结果表明,在所研究的波浪频率范围内,前墙的自由旋转运动会加剧板间的平均波面高程,应用于波浪能转换装置中能进一步拓宽高效频率带宽。 展开更多

关键词 线性波理论 波浪与结构物的相互作用 匹配特征函数展开法 双垂板 波能转换 振荡水柱式

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非静压水波模型研究综述 被引量：1

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作者 马玉祥 艾丛芳 董国海 《海洋与湖沼》 CAS CSCD 北大核心 2022年第4期813-821,共9页

水波数值模拟一直是水利、海岸、海洋工程和物理海洋等学科关注的重要研究领域之一。在诸多的水波模型之中,非静压水波模型以其计算精度和效率较为平衡的特点受到青睐。非静压水波模型经过近三十年的发展,为科学研究、工程设计分析和海... 水波数值模拟一直是水利、海岸、海洋工程和物理海洋等学科关注的重要研究领域之一。在诸多的水波模型之中,非静压水波模型以其计算精度和效率较为平衡的特点受到青睐。非静压水波模型经过近三十年的发展,为科学研究、工程设计分析和海洋资源开发等提供了重要的技术手段。然而,如何开发更为高效的非静压模型,拓宽模型的应用领域一直是研究的主要研究方向。文章综述了非静压模型概念的提出以及数值开发的难点,介绍了非静压模型在波浪传播演化和波浪与结构物相互作用这两方面的应用进展,将有助于研究者了解非静压水波模型的研究和应用现状。 展开更多

关键词 数值模拟 水波模型 非静压模型 波浪与结构物相互作用

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非对称垂荡式振荡水柱波能转换装置的水动力性能 被引量：2

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作者 鲍锦涛 程一帆 +1 位作者 邓争志 叶杨莎 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2023年第6期51-64,共14页

为提升波能转换装置的经济竞争力,针对非对称垂荡式振荡水柱(OWC)波能转换装置,基于势流理论和匹配特征函数展开法,通过引入盖根堡多项式近似表征结构尖角附近的流场奇异性行为,深入研究后墙吃水深度(非对称)、墙体厚度和线性弹簧系数... 为提升波能转换装置的经济竞争力,针对非对称垂荡式振荡水柱(OWC)波能转换装置,基于势流理论和匹配特征函数展开法,通过引入盖根堡多项式近似表征结构尖角附近的流场奇异性行为,深入研究后墙吃水深度(非对称)、墙体厚度和线性弹簧系数对垂荡式OWC装置的波能转换效率、透射系数、气室内平均液面高程等水动力参数的影响规律。研究结果显示,后墙吃水深度及墙体厚度的增加会提升装置在长波区域的高效转换能力,并且显著提高结构物整体阻波防浪性能;线性弹簧的出现,能调节水柱振荡和结构垂荡运动响应之间的相位差,从而有效拓宽垂荡式OWC装置的高效频率带。 展开更多

关键词 波浪能 波浪—结构物相互作用 势流理论 垂荡运动 转换效率

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不同质量粒子分布SPH方法及其应用 被引量：2

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作者 艾孜海尔.哈力克 热合买提江.依明 +1 位作者 开依沙尔.热合曼 买买提明.艾尼 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2015年第22期62-67,共6页

光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种新发展起来的纯拉格朗日数值方法,其最大的优点是不需要对自由表面进行特殊处理,有利于模拟飞溅、破碎等高度非线性流。SPH方法的一个缺点是计算的时间复杂性高,因为需要大量粒子详细定义流体,使之计... 光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种新发展起来的纯拉格朗日数值方法,其最大的优点是不需要对自由表面进行特殊处理,有利于模拟飞溅、破碎等高度非线性流。SPH方法的一个缺点是计算的时间复杂性高,因为需要大量粒子详细定义流体,使之计算时间相应增加。在核半径保持不变的情况下为了提高计算效率和精度提出不同质量粒子分布的方法,即在关键计算区域分布较小质量粒子,而在其它区域分布较大质量粒子。首先通过静水数值模拟,初步验证了此方法的有效性。之后,对半浸泡振荡圆筒所产生的小振幅水波进行了数值模拟。将数值模拟结果与已有的实验结果进行了对比分析。分析结果表明此方法能够明显提高计算精度的同时可以节省大量计算时间。 展开更多

关键词 光滑流体动力学方法 波浪 振荡圆筒 不同质量粒子 流体与结构物相互作用

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