基于DualSPHysics-MoorDyn耦合模型的波浪-结构相互作用数值模拟研究

《Results in Engineering》：DualSPHysics Simulations of Various Wave-Structure Interactions

本研究针对海洋工程中波浪与结构物相互作用的精确模拟难题，采用无网格光滑粒子流体动力学(SPH)方法，结合DualSPHysics-MoorDyn耦合模型，系统研究了固定、自由漂浮和系泊浮动三种工况下的动态响应。结果表明模型能准确预测波面高程（RMSE 0.0056 m）、浮体运动（俯仰角误差0.72°）和系泊力（误差3.1 N），相关系数达0.9-1.0，为海洋结构物设计优化提供了可靠工具。

　　

随着海洋工程技术的快速发展，精确模拟波浪与结构物的相互作用成为优化设计和保障安全的关键挑战。传统基于势流理论的频域分析方法难以捕捉流体粘性和非线性效应，而基于Navier-Stokes(NS)方程的有限体积法(FVM)虽有所改进，但在处理大振幅结构运动和自由液面剧烈变形时仍存在局限。近年来，无网格的平滑粒子流体动力学(SPH)方法因其天然适应自由液面大变形的优势崭露头角，特别是开源代码DualSPHysics的出现，为海洋工程问题提供了新的解决方案。然而，针对SPH与系泊动力学耦合模型的系统性性能评估仍显不足，这直接影响了该技术在浮式风电平台、波浪能转换器等实际工程中的应用可靠性。

为此，Haixin Lu等人在《Results in Engineering》发表研究，通过DualSPHysics-MoorDyn耦合模型，对固定、自由漂浮和系泊浮动三类典型工况开展数值模拟。研究采用GPU加速的SPH技术，结合动态边界条件(DBC)和MoorDyn系泊分析模块，重点考察了粒子分辨率、核函数范围、系泊刚度和人工粘度等关键参数的影响。

关键技术方法包括：(1)基于弱可压缩SPH(WCSPH)的流体动力学求解；(2)采用Wendland核函数进行粒子间作用力计算；(3)动态边界条件处理复杂几何结构；(4)MoorDyn集总质量法模拟系泊缆动力学；(5)主动/被动消波技术组合。实验数据来自Nagoya大学波浪水槽试验，包含28.6kg浮箱在0.6m水深中的系泊响应。

SPH控制方程与数值方法

研究采用离散化的Navier-Stokes方程，通过Tait状态方程关联压力与密度。动量方程(式1)和连续性方程(式2)中引入Molteni-Colagrossi密度扩散项(δ_Φ=0.1)抑制数值噪声。采用五阶Wendland核函数(h=2dp)确保计算稳定性，人工粘度系数α=0.001平衡计算精度与耗散。

固定结构波浪作用模拟

在0.63m×0.15m固定矩形箱的算例中，对比Mei-Black解析解显示，0.01m粒子间距下9个测压点的动态压力误差<5.6%。特别在箱体迎浪面(#1-#3测点)，SPH成功捕捉到波峰处12.5kPa的冲击压力，但波谷压力因非线性作用被轻微低估(约8%)。

自由漂浮结构响应

针对0.3m×0.2m浮箱的三自由度运动模拟表明，0.005m高分辨率可将纵荡(R=0.99)、垂荡(R=0.96)和纵摇(R=0.90)的相位误差降至5%以内。有趣的是，浮体运动周期(1.12T)较入射波周期T出现滞后，这与Ren等的实验现象一致。

系泊浮体动力学研究

在最具挑战性的系泊工况中，模型准确再现了双峰波形的传播特性：迎浪侧波高放大32%，背浪侧出现高阶谐波。参数敏感性分析揭示，4×10⁵N系泊刚度、10段缆索离散可平衡精度与效率。与Peng等的实验数据对比显示，浮体纵荡(R=1.0)、垂荡(R=0.99)和纵摇(R=1.0)的振幅误差分别为0%、24%和17%，系泊力最大偏差3.1N。

研究结论强调，DualSPHysics-MoorDyn耦合模型能有效处理强非线性波-结构相互作用，其RMSE指标满足工程精度要求。该工作不仅系统验证了SPH在海洋工程中的适用性，还建立了关键参数选择标准，如推荐dp=0.01m、h=2dp、α=0.001等组合。尽管在极端波浪条件下仍存在高次谐波模拟偏差，但通过CUDA动态并行等GPU加速技术的引入，该模型有望扩展至浮式风机等实际工程尺度模拟。这项研究为SPH从算法创新走向工程应用提供了重要范例，对推动无网格方法在海洋可再生能源装备设计中的应用具有里程碑意义。