A smoothed particle hydrodynamics method for the fluid-structure interaction between waves and flexible net panels: modelling, validation and analysis
本研究由中国海洋大学水产学院海洋渔业技术研究室完成。研究室在读研究生崔森琦为本文第一作者，毕春伟教授为本文通讯作者。
创新点
本研究提出了一种将光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）与集中质量模型（Lumped-Mass Model，LMM）相结合的数值模型，用于模拟波浪作用下柔性网片的流体动力特性与动态响应。研究在数值框架中引入可变分辨率算法，显著提升计算效率，并通过物理模型试验系统验证了模型在不同波高、波周期及网片密实度下的准确性。研究不仅揭示了网片水平波浪力与运动响应的变化规律，还捕捉了网片对周围流场涡旋结构的扰动特征，为深海养殖网箱等柔性网衣结构的流固耦合分析提供了高效、可靠的新方法。
导读
随着海水养殖向深远海拓展，网箱结构在波浪作用下的水动力特性分析日益重要。网片作为网箱的基本单元，其流固耦合响应是网箱系统安全设计与优化升级的关键依据。
现有数值方法在模拟波浪与柔性网片相互作用时面临诸多挑战。网格法（如RANS方程结合多孔介质模型）在处理波浪环境下方向性阻力系数选取时存在困难，且难以准确表征网片的复杂变形与振动及其对流场的反馈效应。集中质量法与有限元法虽能高效计算结构内力与变形，但难以捕捉网片后方流速衰减及其对波浪传递的影响。光滑粒子流体动力学方法因其全拉格朗日、无网格的特性，在波浪-结构相互作用模拟中展现出独特优势，但如何高效处理网片精细结构与流场间的耦合仍是难点。
基于此，本研究构建了SPH LMM耦合模型。将网衣离散为多个方形板单元，采用集中质量法描述结构动力学，并引入可变分辨率算法与粒子位移修正技术，在保持精度的前提下显著提升计算效率。通过物理模型试验，系统验证了模型在不同波高、波周期及网衣密实度下对水平波浪力与运动响应的预测能力，并分析了网衣对周围流场的影响机制。研究结果表明，该模型能有效捕捉波浪与柔性网衣的相互作用，为深远海养殖网箱及其他网衣类结构的工程设计提供了高效数值工具与理论参考。
结论
不同密实度网衣对波浪场的影响 网衣在波浪场中的运动响应
本研究通过SPH LMM耦合模型的开发与验证，系统实现了波浪与柔性网片相互作用的数值模拟。研究首次在SPH框架中结合可变分辨率算法，建立了高效、可靠的流固耦合分析途径。模型对不同波高、波周期及网片密实度条件下的水平波浪力与运动响应均表现出良好预测精度，误差控制在可接受范围内。该模型为深远海养殖网箱及其他海洋网衣类结构的工程设计提供了高效数值工具与理论参考。
期刊介绍
Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics是由香港理工大学创办的国际期刊，主要聚焦计算流体力学在工程实践中的创新与应用，致力于发表通过稳健数值技术实现精确流场预测与优化设计的实用研究，推动对流体运动物理机制的深入理解。期刊2024年影响因子为5.4，JCR分区为Q1（力学17/171），2025年3月中科院分区为工程技术1区Top（工程：机械 1区；工程：综合 1区；力学 1区）。
