科研 | 我院院长刘谋斌教授团队在极端条件多相流固耦合数值仿真研究中取得重要进展
发布时间：
2025-12-04
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新闻资讯
以下内容来源于北京大学力学与工程科学学院
极端条件多相流动及其与结构之间的耦合作用（极端条件多相流固耦合）广泛存在于海洋工程、能源动力、航空航天等不同领域，具有强动载、强非线性、强耦合效应等特点，涉及多相界面瞬态运动及极端流固变形。这类问题难以用传统数值方法在统一框架内进行有效模拟仿真，其数值模拟算法与仿真软件已经成为计算力学研究前沿与难点。
针对上述挑战，北京大学力学与工程科学学院副院长、北京大学南昌创新研究院院长刘谋斌教授团队（先进计算与智能工程实验室）基于光滑粒子动力学（SPH）方法，发展了光滑多相界面稳定性算法、可压-不可压混合算法、压力泊松方程自适应迭代求解算法及GPU优化加速技术，系统构建了面向极端条件多相流固耦合问题的高精度、高效率SPH统一计算框架，相关成果先后发表于计算流体力学领域顶刊《Journal of Computational Physics》。该统一计算框架的核心突破体现在以下三个关键方面：
（1）发展了光滑多相界面稳定性算法，攻克大密度比界面失稳难题。针对水–气等大密度比多相流中普遍存在的界面不稳定、粒子穿透和非物理间隙等问题，团队提出了“光滑界面多相SPH模型”。该模型通过引入等效连续性方程与压力梯度平滑技术，重构界面过渡区物理量分布，并结合新型界面识别算法与吸–斥型界面力模型，显著增强了界面连续性与数值鲁棒性。该模型在实现界面稳定描述的同时，亦展现出良好的守恒特性（图1），为球体高速入水等极端多相流固耦合过程（图2）的精准模拟提供了关键算法支撑。
图 1 ：光滑界面多相SPH模型守恒性验证
图2 ：球体高速入水多相流固耦合模拟
（2）发展了可压-不可压混合算法，实现多相流动高保真建模。团队提出了混合可压缩–不可压缩SPH（Hybrid CISPH）多相流模型，精确刻画了气–液等不同可压缩性流体的耦合行为。该模型根据流体物性特征，将气相等可压缩流体与如水等不可压缩流体分别采用可压SPH与不可压SPH进行建模，在统一框架下构建了更符合物理本质的两相流耦合建模方案。该模型通过在界面处精确施加压力与速度的连续性条件，有效摆脱了传统统一可压框架对背景压力与声速的依赖，显著改善了时间步长受限和压力计算精度低的问题。该模型已成功应用于气泡浮升、融合及溃灭等一系列典型气泡动力学问题的高精度模拟（图3，图4），展现出对极端多相流问题的精准捕捉能力。
(a) 气泡浮升速度散度云图 (b) 气泡浮升速度流线图
图3 ：气泡浮升过程的CISPH方法模拟结果
(a) (b)
图4： 双气泡融合数值仿真：(a) CISPH模型与经典Level-set模型气泡形态对比；(b) 气泡运动位置对比
（3）发展了自适应求解与GPU加速技术，实现大规模多相流高效仿真。该技术针对极端条件多相流仿真中压力泊松方程求解耗时、计算资源消耗大等核心瓶颈，通过设计自适应松弛迭代方法并与GPU硬件架构深度协同，实现了计算效率的提升与内存占用的显著优化，为工程尺度的三维大规模应用提供了可扩展的先进计算工具。在保持高精度的前提下，该自适应求解算法显著提升了压力泊松方程的迭代收敛效率，较传统方法加速3至7倍。结合面向GPU架构的深度优化，整体并行加速比达到千倍，内存占用亦降低30%–60%（图5），为大规模三维多相流模拟提供了高效可扩展的数值工具。
(a) (b)
图5 ：自适应求解与GPU加速技术：(a) GPU优化的自适应求解技术并行加速比；(b) GPU优化的自适应求解技术内存占用
图6：航行体小角度高速入水空化过程多相流模拟
图7 ：飞行器水面迫降过程“气垫”效应数值模拟
基于上述计算框架，研究团队成功实现了导弹高速出入水空化相变（图6）、飞行器水面迫降（图7）等极端条件下多相流固耦合问题的高保真模拟，验证了所构建的SPH统一计算框架在强动载、强非线性、强耦合效应等复杂条件下的有效性与稳定性，为应对航空航天、海洋工程等军民领域中的关键仿真挑战提供了新的解决方案，展现出重大的战略价值和广阔的应用前景。
刘谋斌教授团队长期从事极端条件多场耦合数智仿真算法研究与软件开发，在SPH方法的基础理论、数值算法和技术应用等方面取得了系统性、原创性的成果。出版了国际上首部SPH专著，已被国内外众多高校列为教材或参考书（Google学术引用4300多次）。建立了SPH稳定性与精度分析理论，发展了高精度自适应SPH算法，形成了自主可控高性能程序，已经成功应用于智能制造、海洋工程、防护工程等众多领域。以上工作基于团队多年积累的SPH方法与技术体系，实现了极端条件多相流固耦合问题的高保真模拟，与同类已有商业或开源软件相比，在计算精度、效率和规模方面均有明显优势。
上述论文第一作者均为北京大学力学与工程科学学院博士生郭朝阳，钱志浩副研究员和刘谋斌教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、崂山实验室以及中德合作交流项目等的资助。
论文信息：
1.Guo Chaoyang, Zhang Huashan, Qian Zhihao, Liu Moubin. Smoothed-interface SPH model for multiphase fluid-structure interaction. Journal of Computational Physics, 518 (2024): 113336
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113336
2.Guo Chaoyang, Zhang Huashan, Sun Shuli, Qian Zhihao, Liu Moubin. A Hybrid Compressible-Incompressible SPH Model with Adaptive Iteration and GPU-Optimization for Multiphase Flows. Journal of Computational Physics, 2025: 114513
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcp.2025.114513
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