基于SPH方法波浪與開孔沉箱式防波堤相互作用的數(shù)值研究.pdf

1、博士學(xué)位論文基于SPH方法波浪與開孔沉箱式防波堤相互作用的數(shù)值研究NumericalAnalysisofInteractionbetweenWavesandPerforatedCaissonBreakwatersBasedonSPHMethod學(xué)11106011答辯日期：盟呈魚』j14大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology基于SPH方法波浪與開孔沉箱式防波堤相互作用的數(shù)值研究摘要進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，海洋資源的

2、開發(fā)得到了越來(lái)越多的重視，海洋災(zāi)害的預(yù)防和治理工作刻不容緩，掌握波浪與海洋工程結(jié)構(gòu)物相互作用機(jī)理就顯得格外重要。由于這類水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的復(fù)雜性，以往模型實(shí)驗(yàn)和理論方法的研究，不僅耗時(shí)、成本高，而且在實(shí)體復(fù)雜結(jié)構(gòu)模擬、問(wèn)題域簡(jiǎn)化假設(shè)等諸多因素影響下，很多細(xì)節(jié)問(wèn)題和物理現(xiàn)象不能得到深入的研究。因此，亟需一種計(jì)算機(jī)高級(jí)仿真技術(shù)來(lái)解決這一復(fù)雜科研課題。SPH(光滑粒子流體動(dòng)力學(xué))算法的提出可以彌補(bǔ)這一領(lǐng)域數(shù)值研究方法的空缺，其無(wú)網(wǎng)格和自適應(yīng)特性，

3、使得SPH方法明顯優(yōu)于以往基于網(wǎng)格的有限元(FEM)和離散元(DEM)等數(shù)值方法。因此，將SPH近似算法應(yīng)用到水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究中將成為當(dāng)前這一學(xué)科的熱點(diǎn)。在深入研究SPH方法的基礎(chǔ)上，本文首先將水動(dòng)力問(wèn)題域進(jìn)行離散化處理；采用SPH近似算法對(duì)NavierStokes水動(dòng)力學(xué)控制方程組進(jìn)行了逼近求解，得到了適用于研究波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用問(wèn)題的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型；采用虛粒子對(duì)沉箱模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，滿足了沉箱邊界的不可穿透性；基于CSPM和Pd

4、emann解相結(jié)合的方法對(duì)SPH方法進(jìn)行了修正，成功地建立了模擬波浪與開孔沉箱相互作用的二維數(shù)值波浪水槽；對(duì)沉箱固壁邊界粒子受到的波壓力進(jìn)行了修正，實(shí)現(xiàn)了流體與沉箱邊界壓力的穩(wěn)定傳遞：通過(guò)多個(gè)數(shù)值算例將SPH計(jì)算結(jié)果與線性規(guī)則波理論值對(duì)比，驗(yàn)證了SPH近似算法的正確性。本文通過(guò)對(duì)波浪與無(wú)頂板開孔沉箱實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)值模擬，研究了無(wú)頂板開孔沉箱反射系數(shù)楊、總水平力與消浪室相對(duì)寬度B／L、相對(duì)波高H／L等影響因素之間的關(guān)系，得出與物理模型實(shí)驗(yàn)擬

5、合關(guān)系式相一致的結(jié)論，精細(xì)地研究了開孔沉箱消浪室內(nèi)外波壓力的分布規(guī)律，為無(wú)頂板開孔沉箱的工程設(shè)計(jì)提供了新的參考依據(jù)；本文還研究了規(guī)則波作用下無(wú)項(xiàng)板開孔沉箱消浪室內(nèi)外水粒子壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)變化特性，對(duì)水粒子出入消浪室復(fù)雜的物理過(guò)程進(jìn)行了分析，詳細(xì)討論了消浪室內(nèi)部速度場(chǎng)的變化情況。其次，基于改進(jìn)后SPH數(shù)學(xué)模型，考慮到頂板高差對(duì)有項(xiàng)板開孔沉箱水動(dòng)力性能的影響，對(duì)波浪與有頂板開孔沉箱實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)頂板相對(duì)高差s／H與反射系數(shù)之間的關(guān)