底瑛棠,赵兰浩,毛 佳

(河海大学 水利水电学院,南京 210098)

入水问题广泛存在于自然界和工程的众多领域,如导弹入水[1]、船舶砰击[2]、滑坡涌浪[3]甚至打水漂[4]等,具有重要的实际应用价值。然而,入水问题的精确高效数值仿真仍面临艰巨的技术挑战。当具有复杂几何外形的结构撞击水面时,固体大运动边界的处理成为首要难点;同时,运动物体对液面挤压与排开,必然伴随一系列的自由液面剧烈演化过程,如液面飞溅、空泡和射流[5]等现象,给数值模拟带来额外的困难;另外,结构的运动决定流场的演化,流场的演化又反过来影响结构的运动特性,呈现流固之间强烈的耦合效应。归纳起来,结构移动边界的合理描述、剧烈变形自由液面的准确捕捉及各相之间耦合作用的精细刻画是入水现象数值仿真面临的核心难题。

为解决结构入水过程中的移动边界问题,王永虎等[6]运用动网格技术,严格按照结构边界构造贴体网格,并随边界移动进行网格变形或重建,构建了三维圆柱自由入水模型;然而,当结构发生大位移时,动网格逐时间步的网格更新消耗大,还可能产生网格扭曲等问题。Ma等[7]、谢路毅等[8]采用嵌套网格方法,采用固定的背景网格离散计算域,无需实时更新,但需采取合理的挖洞措施,且难以考虑多体情况下子网格间的相互作用。相比之下,采用固定笛卡尔网格,并利用拉格朗日点来表征复杂结构边界的浸入边界法(IBM)[9]更加简洁:通过在流体动量方程中附加体力项来施加固体边界条件,IBM物理概念明确,网格生成简单,对于结构复杂外形与大幅位移问题处理优势显著,目前已被广泛应用于包含复杂边界的流固耦合问题[10]。……