虛擬區(qū)域法在波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用中的應(yīng)用.pdf

1、波浪是海岸、海洋工程中最重要的動(dòng)力因素之一.由于波浪作用而引起結(jié)構(gòu)物附近海床的局部沖刷,污染物、泥沙在結(jié)構(gòu)物前的漩渦區(qū)內(nèi)滯留、沉積,以及結(jié)構(gòu)物共振等問題在實(shí)際工程中屢見不鮮.因此,波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用是海岸、海洋工程的設(shè)計(jì)、施工和管理中十分重要的問題.波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用是指:由于受到波浪力的作用結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形、位移和由于結(jié)構(gòu)物變形、位移引起的波浪變形、波浪力改變.這兩個(gè)過程相互影響,同時(shí)進(jìn)行.由于科研水平的限制,在早期研究中,研究

2、者往往通過假定結(jié)構(gòu)物固定來研究波浪的變形、波浪場中物理量的分布以及結(jié)構(gòu)物受到的波浪力,或者通過假定波浪力為定值或按已知規(guī)律變化來研究結(jié)構(gòu)物的變形和位移.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高,研究者改用交替求解波浪場的變化和結(jié)構(gòu)物的變形、位移,并通過流固接觸邊界上相容條件來達(dá)到兩個(gè)求解域動(dòng)力耦合的方法來解決此相互作用問題.由于此類方法并非在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)采用統(tǒng)一的控制方程同時(shí)求解所有未知物理量,因而不是完全意義上的波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用. 本文借鑒

3、多相流動(dòng)中的虛擬區(qū)域法,將結(jié)構(gòu)物等效為應(yīng)變率為零的虛擬流體,對(duì)整個(gè)計(jì)算域(包括流體域和固體域)采用Navier-Stokes方程為其控制方程,并應(yīng)用分布式拉格朗日乘子法在虛擬流體區(qū)域上施加剛體約束,建立了統(tǒng)一的波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的流固耦合動(dòng)力方程.此耦合方程采用速度和壓強(qiáng)為基本變量,在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)同時(shí)求解所有未知量,因而是完全意義上的波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用.在求解Navier-Stokes方程時(shí),本文通過應(yīng)用Characteristi

4、c方法來解決高Reynolds數(shù)下對(duì)流占優(yōu)流動(dòng)的數(shù)值振蕩問題,并通過Uzawa共軛梯度法來求解剩余的一般化的Stokes問題.此方法具有求解精度和計(jì)算效率均較高的特點(diǎn). 二維空腔流動(dòng)和二維圓柱繞流的數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此法的正確性. 在處理自由表面流動(dòng)問題時(shí),本文提出了MLER(Modified LagrangianEulerian Re-map)界面對(duì)流法,并應(yīng)用此法提出了基于非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格的VOF法.此法具有體積守恒性

5、好、邊界擬合精度高的特點(diǎn),可以適用于具有任意復(fù)雜的曲線邊界的計(jì)算域,且不引入任何邊界處理和人為耗散.界面重構(gòu)、無應(yīng)變流動(dòng)和大應(yīng)變流動(dòng)數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明此法具有較高的精度和二階的誤差收斂率.應(yīng)用高Reynolds數(shù)下Navier-Stokes方程的求解方法和基于非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格的VOF法,建立了豎向二維數(shù)值波浪水槽.在波浪的入射邊界,采用可吸收式數(shù)值造波邊界來產(chǎn)生入射波,并消除波浪的二次反射.在波浪的透射邊界,采用海綿層來吸收波能,以消除波浪