基于SPH的流体求解器与浮动海上设备系泊动力学之间的耦合：DualSPHysics和MoorDynPlus

　　双流体耦合方法验证

　　
本文针对浮式海洋结构的水动力-锚泊耦合问题，提出了一种基于光滑粒子流体动力学（SPH）与改进型MoorDynPlus锚泊动态求解器的双向耦合方法。研究通过结合西班牙??tflume（CIEM）波浪水槽的实体实验数据，系统验证了该耦合模型在极端波浪条件下的可靠性，为浮式海上风力涡轮机、波浪能转换装置等海洋工程结构的生存性评估提供了新工具。

### 核心研究内容
1. **耦合框架设计**
采用双时间步策略实现流体与锚泊系统的交互：
- **流体步**：SPH求解器通过五次Wendland核函数处理边界条件，引入密度扩散项和粘性项修正以减少数值振荡，时间步长由Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）条件动态调整。
- **锚泊步**：MoorDynPlus基于集中质量法离散锚泊线段，支持catenary（悬链线）和taut（张紧）两种锚泊类型。新版本改进了接触力计算，可处理不规则海底地形，并引入第二波理论计算流体作用力。

2. **数值模型创新**
- **MoorDynPlus增强功能**：
- 实现锚泊线段屈曲与断裂的动态模拟（通过预设张力阈值触发断裂）。
- 支持多浮体耦合系统，可模拟复杂锚泊网络（如多浮体平台互联）。
- 引入弯矩计算模块，通过截面惯性矩和曲率量化线段弯曲刚度。
- **SPH求解器改进**：
- 采用对称修正动态边界条件（mDBC），通过虚拟节点提升压力场平滑度。
- 实现GPU加速计算，单精度浮点下可处理百万级粒子模拟。

3. **实验验证体系**
- **实体实验设计**：
1:15比例缩放的浮式结构（圆柱形 buoy，质量109.8kg，直径0.81m）搭载两种锚泊系统：
- **张紧锚泊**：4根预 tensioned 钢缆（有效刚度3790kN，直径5mm）
- **悬链线锚泊**：4根直径57mm的镀锌链条（轴向刚度1650kN）
- 实验在CIEM波浪水槽（长100m，深2.5m）进行，布置5个水力高度计（WG1-WG5）和4个应变传感器（LCs）监测波浪场与锚泊张力。
- **波浪条件**：
- **规则波**：周期2.25-3.19s，波高0.21m（满足JONSWAP谱）。
- **聚焦波**：通过NewWave理论生成，主峰波高0.41m，波长9.15m，模拟近岸风暴波。

4. **多场景验证分析**
- **张紧锚泊系统**：
- **规则波RW2**（周期2.74s）：浮子水平运动（surge）误差<8%，垂向运动（heave）误差<15%。
- **聚焦波FW1**：最大张力峰值预测误差<7%，动态响应捕捉率>92%。
- 特殊现象分析：波浪过顶（overtopping）时，数值模型显示浮子完全浸没（实验数据缺失），但张力曲线与应变传感器记录一致。
- **悬链线锚泊系统**：
- **长周期波RW3**（周期3.19s）：垂向运动误差<10%，前锚缆张力峰值误差<35%（与波浪破拆区域相关）。
- **极端条件**：当浮子浸没深度达0.5m时，弯矩模块准确模拟了缆线弹性变形导致的张力波动。

### 关键技术创新点
1. **双向耦合机制**
- 流体步每迭代1次触发锚泊步计算，通过传递浮子质心坐标、速度、角速度及流体相对速度实现数据同步。
- 引入动态时间步长（Δt_MoorDynPlus）优化计算效率，保证锚泊线段动力学与流体运动的时间一致性。

2. **多物理场耦合策略**
- **流体-结构交互**：SPH通过粒子间相互作用力（密度梯度、粘性力）计算对浮子运动的力矩与浮力，采用一阶导数近似处理不可压缩流体。
- **接触非线性**：锚泊线段与不规则海底接触时，通过虚拟节点法计算接触力，误差<5%。

3. **模型鲁棒性提升**
- **稳定性增强**：在CFL数0.25-0.35范围内自动调整时间步长，极端波浪下仍能保持数值稳定性。
- **收敛性验证**：SPH网格分辨率从4cm（R1）到2cm（R3）的三种配置对比显示，R2（3cm）在计算效率与精度间取得最优平衡（R3计算耗时增加2.8倍，但NRMSE仅降低1.2%）。

### 工程应用价值
1. **浮式结构设计优化**：
- 通过模拟极端波浪下的锚泊张力分布，评估结构存活性（如波浪过顶导致的缆线断裂）。
- 支持多浮体耦合系统设计（如海上风电场群锚泊），误差控制<10%。
2. **运维决策支持**：
- 实时监测锚泊线段张力变化，预测断裂风险（断裂阈值可调）。
- 通过流体载荷反演，指导锚泊系统维护（如腐蚀导致的刚度衰减）。

### 局限性及改进方向
1. **模型局限性**：
- 现有MoorDynPlus未考虑缆线流体-结构耦合振动，极端条件下可能低估动态张力峰值。
- SPH方法在浅水区（水深<0.2m）可能出现数值扩散，需进一步优化边界条件。
2. **未来研究方向**：
- 集成波浪-海流耦合模型，支持多物理场耦合（如流致振动与锚泊张力）。
- 开发AI驱动的参数自动优化模块，实现锚泊系统自动设计。

### 结论
本研究通过构建SPH-MoorDynPlus双向耦合框架，实现了浮式结构-锚泊系统-波浪场的三维动态交互模拟。实验表明，在规则波和聚焦波条件下，浮子运动与锚泊张力的数值预测误差均控制在10%以内，验证了该模型在近海极端环境下的可靠性。该耦合方法为深远海域浮式能源装置提供了高保真度的设计工具，特别适用于评估极端波浪条件下的结构存活性（Survivability）。未来可结合机器学习算法，进一步实现多目标优化设计。