用于冰-波动力学的全拉格朗日 DEM-MPS 无网格模型

本文开发并评估了一种新颖的基于离散元方法（DEM）与移动粒子半隐式（MPS）无网格技术混合的三维全拉格朗日（基于粒子）数值模型，用于模拟高动态的冰-波相互作用。MPS 与 DEM 均属于无网格拉格朗日（粒子）技术。该模型将冰-波动力学视为多相连续-离散系统。MPS 在拉格朗日粒子域中求解自由表面流动的连续方程，而 DEM 采用多球 Hertz 接触动力学模型模拟浮冰的运动与相互作用。该混合模型可预测浮冰的运动与碰撞，以及它们与水、边界和路径中任何障碍物的相互作用。考虑到 DEM 与 MPS 的无网格拉格朗日特性，所开发的模型具有预测浮冰自由漂移（无内应力）运动（例如滑动、滚动、碰撞和堆积）的固有能力，适用于剧烈自由表面流。我们开展了一项基于干床与湿床上溃坝流携带漂浮块体浮冰的小尺度高难度实验，模拟理想化冰塞释放的特征，为所提模型及其他数值模型验证提供有用且全面的质量数据。我们对自由表面剖面与块体位置的实验和数值结果进行了比较。结果表明该模型能够数值重现并预测波-浮冰相互作用的复杂三维动态行为。总体而言，本研究是在全拉格朗日框架内发展冰-波动力学的首次尝试，其结果可推广以深化对未来真实尺度冰-波或河流冰动力学问题物理机制的理解。