MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡

论文摘要

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法（moving particle semi-implicit, MPS）是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气（liquefied natural gas, LNG）型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度.

论文目录

• 引言
• 1 MPS数值方法
•   1.1 控制方程
•   1.2 核函数
•   1.3 粒子作用模型
•   1.4 不可压缩模型
•   1.5 自由面粒子判断
•   1.6 边界条件
•   1.7 计算流程
• 2 GPU并行加速技术
• 3 数值模拟
•   3.1 粒子间距收敛性验证
•   3.2 数值结果验证
•   3.3 不同液舱构型晃荡对比
•     3.3.1 70%充液率对比
•     3.3.2 50%充液率对比
•     3.3.3 30%充液率对比
•   3.4 不同液体密度晃荡对比
• 4 结论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 陈翔,万德成

关键词: 无网格粒子法,移动粒子半隐式法,并行加速技术,液舱晃荡

来源: 力学学报 2019年03期

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,船舶工业

单位: 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室高新船舶与深海开发装备协同创新中心

基金: 国家自然科学基金(51879159,51490675,11432009,51579145),长江学者奖励计划(T2014099),上海高校特聘教授(东方学者)岗位跟踪计划(2013022),上海市优秀学术带头人计划(17XD1402300),工信部数值水池创新专项课题(2016-23,09)资助项目

分类号: O241.8;U663.85

页码: 714-729

总页数: 16

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