非線性波浪與可滲結(jié)構(gòu)相互作用的SPH模型.pdf

1、波浪與可滲結(jié)構(gòu)的相互作用包含波浪反射、透射、越浪和破碎等水動力過程，涉及到湍流、滲流和耗散等多種非線性物理效應(yīng)，是一個作用機理十分復(fù)雜的非線性滲流力學(xué)問題。近年來隨著全球氣候變暖和海平面上升，海岸防護(hù)結(jié)構(gòu)面臨的海洋災(zāi)害威脅也日益加劇，開展波浪與可滲結(jié)構(gòu)的相互作用研究具有十分重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。
　　本文在修正光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)方法核函數(shù)連續(xù)性的基礎(chǔ)上，通過提出一種新的固壁粒子壓力計算模式，解決了原SPH方法存在

2、的邊界處粒子分布紊亂、固壁邊界附近壓力場震蕩以及流體粒子與固邊界分離或穿透固邊界問題。基于MPI空間域分解和OpenMP數(shù)據(jù)分解的耦合算法，結(jié)合動態(tài)負(fù)荷平衡技術(shù)，提出了適合現(xiàn)代計算集群資源配置的混合MPI-OpenMP并行算法，解決了三維SPH數(shù)學(xué)模型計算效率低的瓶頸問題。提出了適合無網(wǎng)格粒子法的主動吸收式造波邊界條件、周期性側(cè)邊界條件和人工粘性消波邊界條件，建立了基于SPH算法的周期波數(shù)值波浪水槽/水池。
　　基于所建立的SPH

3、數(shù)值波浪水槽/水池，結(jié)合非線性滲流本構(gòu)關(guān)系，建立了模擬非線性波浪在多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中流動的二維和三維湍流模型。推導(dǎo)了多孔介質(zhì)內(nèi)流體運動的體平均/Favre平均形式的雙平均湍流控制方程(VAFANS)，湍流應(yīng)力采用亞粒子紊流模式來模擬，引入非線性滲流阻力項以反映介質(zhì)固體骨架對孔隙內(nèi)流體的阻力作用。通過在計算域內(nèi)設(shè)置定義孔隙率信息的背景網(wǎng)格和引入表征密度的概念，將自由流動區(qū)域和不同孔隙率的滲流區(qū)域內(nèi)的流體運動控制方程形式統(tǒng)一，避免在整個計算域內(nèi)

4、使用不同形式的控制方程導(dǎo)致的不同介質(zhì)界面附近的壓力震蕩及速度跳躍現(xiàn)象。提出了不同介質(zhì)界面處的過渡區(qū)邊界條件和適合的過渡區(qū)寬度，保證了多孔介質(zhì)界面處流場和壓力場的計算精度。
　　數(shù)值計算結(jié)果表明:所建立的二維SPH滲流模型比其它數(shù)值模型能更精確地模擬出漬壩波在可滲壩體內(nèi)的傳播、波浪在不同可滲性海床上的衰減、波浪透過可滲潛堤或出水堤時的變形、翻卷、破碎和越浪過程以及可滲結(jié)構(gòu)附近的流場和湍流能分布特性。所建立的三維SPH滲流模型能夠精確