背景
　　在船舶与海洋工程领域中存在着大量的自由液面流动现象，例如舰船艏底砰击、艏外飘砰击、甲板上浪、液舱晃荡现象等。在一些恶劣的海况下，甚至会出现大变形自由液面问题，此类问题中包含自由液面的破碎和飞溅，是一种强非线性的自由液面流动问题，而且涉及复杂固体边界和可移动边界的处理。传统的网格法在处理这类发生大变形或数值非连续的问题时会大大增加计算量并且存在一定的困难。因此，对于自由表面流动问题的数值模拟一直是计算流体动力学的一大难题。
　　移动粒子半隐式法（Moving Particle Semi-Implicit Method，MPS）是基于拉格朗日粒子的一种无网格方法，采用预估一修正的半隐式方法来求解流体控制方程，并且使用粒子代替网格来离散问题域，通过引入核函数来表示粒子之间的相互作用模型，不需要离散对流项，因此可以有效地避免离散对流项而导致的数值发散问题。另外，粒子的运动性以及具有简捷的自由表面粒子识别方法，使得MPS方法在处理自由液面问题中尤其是大变形问题中具有独特的优势，在船舶与海洋领域具有广阔的应用前景。但同时，由于MPS方法提出不久，其自身存在的缺陷严重限制了该方法的应用和发展。因此，本文致力于MPS方法的基础理论研究，针对MPS方法中存在的稳定性问题、精确性问题和计算效率问题进行了一系列的数值实验，并对MPS方法进行改进，进一步从理论上完善MPS方法。在此基础之上，将MPS方法应用到了具有大变形自由液面的溃坝现象、液舱晃荡现象和结构的出入水冲击问题中。
　　关于本书
　　目前，国外和国内对MPS方法的相关著作几乎空白。本书的目的是为对该方法感兴趣的读者学习、使用或进一步发展此方法提供一些MPS方法的基本原理。因此，本书主要介绍了MPS方法的背景、优缺点、数值方法、程序的实施方法以及在大变形自由液面流动中的应用情况，主要的原创性成果如下：
　　（1）针对MPS方法中存在的自由表面粒子误判现象，首次在MPS方法中引入了弧度判定法。在不会增加太大计算量的前提下，可以准确而快捷地判定出自由表面粒子，有效地避免自由表面粒子的误判现象。
　　（2）针对MPS方法中的粒子聚集现象，在MPS方法进行数值模拟的每个时间步里都加入了一个粒子碰撞模型，能有效地避免粒子的聚集和穿越现象、改善压力震荡现象。
　　（3）针对MPS方法计算精度和计算效率的问题，进行了大量的数值实验，对MPS方法的数值实现方法进行优化，并归纳出不同参数的选取范围对数值模拟精度和计算效率的影响规律。
　　（4）于改进的MPS方法，分别对船舶与海洋工程领域中典型的大变形自由液面问题进行了研究，包括溃坝现象和液舱晃荡现象。在此基础之上，开发了计及自由液面流动的MPS方法的流固耦合算法，并对其在结构出入水冲击问题中的应用进行了探究，旨在为船舶与海洋工程结构的动力学响应输入和设计提供依据。
　　应用MPS方法进行数值模拟是一个相对较新的研究领域，能解决一些传统方法所不能及的问题，显示了其优越性。但是，目前MPS方法在实际应用中仍存在许多问题，作者希望本书提供的数值方法和源程序能给读者一个指引，令读者能高效地练习和进一步发展MPS方法。
　　由于作者水平有限，加上时间仓促，书中存在的错误和不足之处，恳请读者批评指正。

　　《一种无网格方法：移动粒子半隐式方法MPS》系统完整地介绍了MPS方法的基本理论，针对其自身的优势和缺陷，阐述MPS方法的改进思路和具体实施办法，在此基础之上，通过MPS方法在船舶与海洋工程领域相关问题的处理过程来说明MPS方法的应用范围，进一步表现其在处理大变形自由液面问题中的优点。
　　该书适合船舶与海洋工程领域、港口与航道工程、天体物理学学等领域的学术研究者阅读和研究。

第1章 绪论
1．1 引言
1．2 计算流体动力学中的网格法
1．2．1 三种数值解法
1．2．2 两种流体运动描述方法
1．2．3 网格法的局限性
1．3 无网格法
1．4 预估一修正粒子法（MPS方法）
1．4．1 MPS方法的国外研究进展
1．4．2 MPS方法的国内研究进展
1．4．3 MPS方法的优势和不足
1．5 本书的主要工作和创新

第2章 不可压黏性流体预估一修正法及其数值模型
2．1 预估一修正法理论
2．1．1 不可压流体控制方程
2．1．2 预估一修正法简介
2．2 粒子相互作用模型
2．2．1 MPS数值模型
2．2．2 ISPH数值模型
2．2．3 CPM数值模型
2．3 计算步长条件
2．4 边界条件
2．4．1 自由表面条件
2．4．2 固体边界条件
2．5 本章小结

第3章 数值实现方法优化及相关参数探究
3．1 相邻粒子搜索方法
3．1．1 全配对搜索法
3．1．2 树形搜索法
3．1．3 链表搜索法
3．2 Poisson方程的离散及求解
3．2．1 Poisson方程组的生成和离散
3．2．2 Poisson方程组的求解
3．3 常用核函数及相关参数探究
3．3．1 常用核函数
3．3．2 光滑长度对核函数近似探究
3．3．3 粒子数对核函数近似探究
3．4 本章小结

第4章 MPS方法的改进及其验证
4．1 自由表面粒子的弧度判定法
4．2 粒子碰撞模型
4．3 改进的MPS方法的验证
4．3．1 静水压力模拟验证
4．3．2 溃坝数值模拟验证
4．4 本章小结

第5章 基于改进的MPS方法的溃坝现象模拟
5．1 溃坝模型1：水柱长高比2：1模型
5．2 溃坝模型2：水柱长高比1：2模型
5．3 溃坝模型3：有障碍溃坝模型
5．4 溃坝模型4：弹性支撑侧壁模型
5．5 相关参数对溃坝数值模拟的影响
5．5．1 不同计算时间步长的影响
5．5．2 不同运动学黏性系数的影响
5．5．3 不同算子控制半径的影响
5．5．4 不同流体离散粒子数的影响
5．6 本章小结

第6章 基于改进的MPS方法的液舱晃荡现象模拟
6．1 液舱晃荡现象的研究与进展
6．2 无挡板液舱晃荡模拟
6．2．1 二维液舱水平晃荡模拟
6．2．2 二维液舱横摇晃荡模拟
6．2．3 二维液舱耦合晃荡模拟
6．3 有挡板液舱晃荡模拟
6．4 本章小结

第7章 基于改进的MPS方法的结构出入水冲击模拟
7．1 MPS流固耦合算法及流程
7．1．1 MPS流固耦合算法
7．1．2 结构运动方程
7．1．3 流固交界面边界条件
7．1．4 算法流程
7．2 简单结构的入水冲击模拟
7．2．1 矩形结构的入水冲击模拟
7．2．2 楔形体结构的入水冲击模拟
7．3 细长体出水冲击模拟
7．4 本章小结
结论与展望

附录 Fortran程序——溃坝现象
参考文献
索引