1、作為無(wú)網(wǎng)格粒子法，MPS（Moving Particle Semi-Implicit）方法比較適合處理自由面大變形的流動(dòng)問(wèn)題。然而，MPS方法得到的壓力場(chǎng)帶有較強(qiáng)的非物理振蕩，這一現(xiàn)象很大程度地影響了MPS方法壓力計(jì)算的可靠性。此外，MPS方法計(jì)算量較大，當(dāng)模擬三維問(wèn)題時(shí)，流場(chǎng)需要使用大量的粒子進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)串行程序難以完成這樣大規(guī)模的計(jì)算。因此，開(kāi)發(fā)一套能夠較準(zhǔn)確地進(jìn)行壓力計(jì)算的三維并行MPS方法將具有重要的實(shí)用意義。
　　本文

2、首先研究了MPS方法中壓力振蕩問(wèn)題，以靜水問(wèn)題和劇烈晃蕩問(wèn)題為例開(kāi)展了數(shù)值試驗(yàn)，分析了壓力梯度模型、壓力Poisson方程源項(xiàng)和自由面判斷三個(gè)因素對(duì)壓力振蕩的影響，對(duì)已有的改進(jìn)方法進(jìn)行了測(cè)試，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出新的改進(jìn)方法。靜水問(wèn)題計(jì)算表明，已有的動(dòng)量守恒型壓力梯度和混合源項(xiàng)法兩種改進(jìn)方法單獨(dú)使用都能在一定程度上改善壓力的振蕩現(xiàn)象，但效果有限，二者結(jié)合使用可以比較成功地抑制壓力振蕩，獲得合理的壓力場(chǎng)。但在劇烈晃蕩問(wèn)題中，這種結(jié)合的處理

3、方法仍然存在較為嚴(yán)重的壓力振蕩現(xiàn)象。進(jìn)一步分析表明，此時(shí)自由面粒子誤判是導(dǎo)致壓力振蕩的一個(gè)重要因素。針對(duì)于此，本文提出一個(gè)新的自由面判斷方法，該方法基于鄰居粒子分布的不對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行判斷，數(shù)值測(cè)試表明該方法能夠較好地提高自由面判斷精度。本文結(jié)合已有的守恒型壓力梯度、混合源項(xiàng)法和本文提出的新的自由面判斷方法構(gòu)建了一個(gè)改進(jìn)的MPS方法。劇烈晃蕩的計(jì)算結(jié)果顯示：該改進(jìn)MPS方法有效地抑制了壓力的振蕩，計(jì)算得到的拍擊壓力曲線能夠較好地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻

4、合。
　　為提高M(jìn)PS的計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)三維大規(guī)模模擬，本文開(kāi)發(fā)了三維并行MPS方法，在并行策略上，采用了基于背景網(wǎng)格的區(qū)域分解法，開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡功能，借助于MPI（Message Passing Interface）庫(kù)在分布式內(nèi)存的計(jì)算機(jī)集群上實(shí)現(xiàn)了并行計(jì)算?；谠摬⑿蠱PS對(duì)三維潰壩進(jìn)行了并行效率測(cè)試，結(jié)果顯示：使用動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡策略較好地保證了計(jì)算中各進(jìn)程計(jì)算量的均衡，獲得了令人滿意的并行效率。此外，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)各個(gè)求解步驟

5、所用時(shí)間和加速比分析表明：壓力Poisson方程求解效率是提高M(jìn)PS并行效率的關(guān)鍵。針對(duì)于此，本文嘗試了采用GPU加速壓力Poisson方程求解。本文基于開(kāi)源函數(shù)庫(kù)CULA在GPU Tesla C1060上進(jìn)行了壓力Poisson方程求解的測(cè)試，結(jié)果顯示在粒子數(shù)較多時(shí)，GPU獲得了較高的加速比，GPU在MPS的并行計(jì)算中具有很大的潛力。
　　結(jié)合改進(jìn)的MPS方法和并行計(jì)算工作本文開(kāi)發(fā)了一套MPS求解器，MLParticle-SJT

6、U（Meshless Particle Solver-Shanghai Jiao Tong University），并將其應(yīng)用船舶與海洋工程中典型的三維自由面大變形流動(dòng)問(wèn)題，研究了潰壩、液艙晃蕩、甲板上浪和船在大幅波浪中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。
　　針對(duì)三維潰壩，本文對(duì)MPS方法進(jìn)行了粒子收斂性分析，計(jì)算中采用了不同的粒子數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明增加粒子數(shù)量可以使自由面波形捕捉更加精細(xì)，當(dāng)波形變化劇烈時(shí)粒子數(shù)量對(duì)波形計(jì)算精度的影響較大。為進(jìn)一步驗(yàn)證ML

7、Particle-SJTU的可靠性，本文對(duì)一個(gè)三維帶障礙物的潰壩進(jìn)行了模擬，波高和拍擊壓力的計(jì)算結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)和其他數(shù)值結(jié)果較好地吻合。
　　本文對(duì)三維劇烈液艙晃蕩問(wèn)題進(jìn)行了研究。為分析MLParticle-SJTU對(duì)拍擊壓力的計(jì)算精度，對(duì)二維液艙在縱蕩、縱搖以及耦合運(yùn)動(dòng)時(shí)的晃蕩進(jìn)行了計(jì)算，將計(jì)算得到的自由面形狀和拍擊壓力變化曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，吻合較好。此外，本文對(duì)不同激勵(lì)周期和激勵(lì)幅值進(jìn)行了分析，結(jié)果表明激勵(lì)周期對(duì)晃蕩中

8、的波形和拍擊壓力有較大影響，而激勵(lì)幅值對(duì)拍擊壓力影響較大，這一現(xiàn)象在共振頻率附近較明顯。為了分析MPS方法在三維計(jì)算和二維計(jì)算上的差別，本文計(jì)算了一個(gè)矩形液艙縱蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)晃蕩問(wèn)題，結(jié)果顯示：對(duì)于這樣的準(zhǔn)二維流動(dòng)，二維和三維計(jì)算結(jié)果整體上比較接近，但三維模擬得到的壓力場(chǎng)更光滑，細(xì)節(jié)上看三維計(jì)算能更好地模擬破波和液體飛濺現(xiàn)象。此外，本文對(duì)三維菱形液艙在六自由度耦合運(yùn)動(dòng)時(shí)的晃蕩進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明此時(shí)液艙中的波形較二維情況復(fù)雜，存在多種波形的疊

9、加。本文還研究了三維帶隔板的液艙晃蕩問(wèn)題，分析了不同隔板高度對(duì)減晃效果的影響，結(jié)果顯示適當(dāng)?shù)卦黾痈舭甯叨饶軌蚋纳茰p晃效果，但增加到一定程度以后改善的幅度不明顯。
　　本文研究了三維甲板上浪問(wèn)題。為此，首先建立了一個(gè)數(shù)值波浪水池，數(shù)值測(cè)試表明計(jì)算得到的波形能夠與解析解相一致。為驗(yàn)證MLParticle-SJTU在甲板上浪問(wèn)題中的可靠性，本文首先對(duì)一個(gè)二維甲板上浪問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算，并將上浪波形和水體對(duì)上層建筑拍擊壓力的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)