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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
1
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.
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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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职称材料
上浮气泡与自由表面相互作用的ISPH-FVM耦合方法模拟
2
作者
徐义祥
杨刚
+1 位作者
邢钰林
胡德安
《力学学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第5期1261-1270,共10页
上浮气泡与自由表面相互作用的过程涉及复杂的界面拓扑演化,该过程一直是气泡流研究领域广为关注的问题之一.为探究上浮气泡与自由表面相互作用动力学行为,将不可压缩光滑粒子流体动力学(incompressible smooth particle hydrodynamics,...
上浮气泡与自由表面相互作用的过程涉及复杂的界面拓扑演化,该过程一直是气泡流研究领域广为关注的问题之一.为探究上浮气泡与自由表面相互作用动力学行为,将不可压缩光滑粒子流体动力学(incompressible smooth particle hydrodynamics,ISPH)方法与有限体积法(finite volume method,FVM)相结合提出了一种ISPH-FVM耦合方法.在ISPH-FVM耦合方法中,粒子和网格之间的信息交互是通过核近似插值技术实现,并将连续表面应力模型(continuous surface stress,CSS)引入当前耦合框架中以评估相界面处表面张力效应.此外,CSS模型通过FVM网格上定义的体积分数进行离散和计算,并且网格上的体积分数是通过网格支持域内ISPH粒子的核近似插值获得的.随后,利用ISPH-FVM耦合方法模拟了平衡状态下圆形气泡振荡以及单气泡上升,并将模拟结果与其他数值方法结果进行比较,验证了当前耦合方法中表面张力模型的收敛性以及界面追踪的准确性.为测试ISPH-FVM耦合方法模拟涉及复杂拓扑变化气泡流的性能,对上浮气泡与自由表面相互作用的动力学行为进行了分析,并且研究了不同韦伯数(We)以及雷诺数(Re)对气泡与自由表面相互作用的影响.研究发现,随着We数增加上浮气泡与自由表面相互作用时界面将发生大的畸变并且产生的夹带液滴数量也相应增加,然而上浮气泡与自由表面相互作用的过程并没有随Re数的增加而发生明显差别.
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关键词
耦合方法
不可
压缩
光滑粒子
流体
动力学
方法
有限体积法
气泡上升
自由表面
相互作用
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职称材料
论f-和β-坐标系
3
作者
冯士筰
《山东海洋学院学报》
1982年第3期1-10,共10页
旋转着的地球周围的大气和海洋中的行星尺度流场的描述，固然可以采用较精确的球坐标系统[1]，但是，更方便、更经常采用的却是所谓“f-平面”和“B-平面”坐标系[2]。譬如大气中Rossby波的引入[3]、大洋环流的西向强化的揭示[4]都是利...
旋转着的地球周围的大气和海洋中的行星尺度流场的描述，固然可以采用较精确的球坐标系统[1]，但是，更方便、更经常采用的却是所谓“f-平面”和“B-平面”坐标系[2]。譬如大气中Rossby波的引入[3]、大洋环流的西向强化的揭示[4]都是利用了B-坐标系。
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关键词
f-平面
β-坐标系
热力-
动力学
模型
不可压缩流体动力学
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职称材料
题名
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
1
作者
张宁波
倪宝玉
薛彦卓
武奇刚
袁广宇
机构
哈尔滨工程大学船舶工程学院
出处
《力学学报》
北大核心
2025年第4期816-828,共13页
基金
国家自然科学基金资助项目(52371270,52192693和52192690).
文摘
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.
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
Keywords
wave-structure interactions
incompressible smoothed particle hydrodynamics
graph neural network
hybrid method
pressure Poisson equation
pressure prediction
分类号
O352 [理学—流体力学]
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职称材料
题名
上浮气泡与自由表面相互作用的ISPH-FVM耦合方法模拟
2
作者
徐义祥
杨刚
邢钰林
胡德安
机构
湖南大学机械与运载工程学院
出处
《力学学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第5期1261-1270,共10页
基金
国家自然科学基金资助项目(11872178)。
文摘
上浮气泡与自由表面相互作用的过程涉及复杂的界面拓扑演化,该过程一直是气泡流研究领域广为关注的问题之一.为探究上浮气泡与自由表面相互作用动力学行为,将不可压缩光滑粒子流体动力学(incompressible smooth particle hydrodynamics,ISPH)方法与有限体积法(finite volume method,FVM)相结合提出了一种ISPH-FVM耦合方法.在ISPH-FVM耦合方法中,粒子和网格之间的信息交互是通过核近似插值技术实现,并将连续表面应力模型(continuous surface stress,CSS)引入当前耦合框架中以评估相界面处表面张力效应.此外,CSS模型通过FVM网格上定义的体积分数进行离散和计算,并且网格上的体积分数是通过网格支持域内ISPH粒子的核近似插值获得的.随后,利用ISPH-FVM耦合方法模拟了平衡状态下圆形气泡振荡以及单气泡上升,并将模拟结果与其他数值方法结果进行比较,验证了当前耦合方法中表面张力模型的收敛性以及界面追踪的准确性.为测试ISPH-FVM耦合方法模拟涉及复杂拓扑变化气泡流的性能,对上浮气泡与自由表面相互作用的动力学行为进行了分析,并且研究了不同韦伯数(We)以及雷诺数(Re)对气泡与自由表面相互作用的影响.研究发现,随着We数增加上浮气泡与自由表面相互作用时界面将发生大的畸变并且产生的夹带液滴数量也相应增加,然而上浮气泡与自由表面相互作用的过程并没有随Re数的增加而发生明显差别.
关键词
耦合方法
不可
压缩
光滑粒子
流体
动力学
方法
有限体积法
气泡上升
自由表面
相互作用
Keywords
coupling method
incompressible smooth particle hydrodynamics method
finite volume method
bubble rising
free surface
interaction
分类号
O359 [理学—流体力学]
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职称材料
题名
论f-和β-坐标系
3
作者
冯士筰
机构
山东海洋学院物理海洋与海洋气象学系
出处
《山东海洋学院学报》
1982年第3期1-10,共10页
文摘
旋转着的地球周围的大气和海洋中的行星尺度流场的描述，固然可以采用较精确的球坐标系统[1]，但是，更方便、更经常采用的却是所谓“f-平面”和“B-平面”坐标系[2]。譬如大气中Rossby波的引入[3]、大洋环流的西向强化的揭示[4]都是利用了B-坐标系。
关键词
f-平面
β-坐标系
热力-
动力学
模型
不可压缩流体动力学
分类号
O357.1 [理学—流体力学]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
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
张宁波
倪宝玉
薛彦卓
武奇刚
袁广宇
《力学学报》
北大核心
2025
0
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职称材料
2
上浮气泡与自由表面相互作用的ISPH-FVM耦合方法模拟
徐义祥
杨刚
邢钰林
胡德安
《力学学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
3
论f-和β-坐标系
冯士筰
《山东海洋学院学报》
1982
0
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职称材料
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