基于SPH-FSI求解器的加速度稳定化流体-固体信息传递方法研究

本文针对基于光滑粒子流体动力学(SPH)的流固耦合(FSI)求解器中信息传递问题展开研究。针对传统压力积分法存在的远场粒子影响高估问题，提出了距离平方加权和法向距离平方加权两种改进方案，其中法向距离平方加权法在压力值重构中表现出最小相对误差。创新性地提出基于加速度和牛顿定律的稳定化信息传递方法，通过经典溃坝和超弹性闸门流动验证表明，该方案能有效稳定模拟过程，为复杂FSI问题提供平滑可靠预测。

　　

在海洋工程领域，船舶艏部砰击、液体晃荡等流固耦合(FSI)现象普遍存在，这些涉及剧烈自由液面变化、结构大变形和强非线性相互作用的问题，传统解析和实验方法往往难以应对。尽管基于光滑粒子流体动力学(SPH)的数值方法在处理大变形问题上展现出优势，但其在流体向固体信息传递过程中存在显著挑战——传统压力积分法采用算术平均或距离加权方式容易高估远场粒子影响，且压力波动会导致模拟失稳。

为攻克这些技术瓶颈，国内研究团队在《Applied Surface Science Advances》发表创新成果。研究人员首先系统分析了现有压力积分法的局限性，通过数学推导提出距离平方加权和法向距离平方加权两种改进方案。更突破性地开发了基于加速度的稳定化方法，该方法通过虚拟粒子设置和牛顿第三定律实现动量守恒传递。关键技术包括：δ⁺-SPH流体求解器、光滑点插值法(SPIM)固体求解器、CSS耦合算法，以及创新的法向距离平方加权压力插值方案。

研究结果部分，通过四个层次递进的验证实验证实了新方法的优越性。在"静水压力-弹性板"基准测试中，加速度法的位移预测误差仅0.2%，显著优于传统方法3.26%的误差。溃坝冲击挡板实验再现了负压效应，加速度法成功捕捉到流体与结构分离时的吸附现象。在更具挑战性的"溃坝-弹性板"模拟中，该方法在二次冲击阶段仍保持稳定，而传统方法则出现数值空洞和压力振荡。最后的超弹性闸门测试验证了该方法处理非线性本构的能力，其预测的橡胶变形量与Mooney-Rivlin模型结果相当。

这项研究的意义在于：理论上，建立了粒子-网格耦合框架下的加速度传递新范式；方法学上，提出的法向距离平方加权方案将压力插值误差控制在5%以内；工程应用方面，为船舶海洋工程中的强非线性FSI问题提供了更可靠的模拟工具。特别是加速度法展现出的鲁棒性，使其在涉及压力剧烈波动的冲击载荷模拟中具有独特优势。未来通过三维扩展和GPU并行加速，该方法有望成为复杂流固耦合分析的标准工具之一。