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(dòng)力過(guò)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(gè)作用機(jī)理十分復(fù)雜的非線性滲流力學(xué)問題。近年來(lái)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(jià)值。
　　本文在修正光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)方法核函數(shù)連續(xù)性的基礎(chǔ)上，通過(guò)提出一種新的固壁粒子壓力計(jì)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(chǎng)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(dòng)態(tài)負(fù)荷平衡技術(shù)，提出了適合現(xiàn)代計(jì)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(jì)算效率低的瓶頸問題。提出了適合無(wú)網(wǎng)格粒子法的主動(dòng)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(dòng)的二維和三維湍流模型。推導(dǎo)了多孔介質(zhì)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)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(lái)模擬，引入非線性滲流阻力項(xiàng)以反映介質(zhì)固體骨架對(duì)孔隙內(nèi)流體的阻力作用。通過(guò)在計(jì)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(dòng)區(qū)域和不同孔隙率的滲流區(qū)域內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)控制方程形式統(tǒng)一，避免在整個(gè)計(jì)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(guò)渡區(qū)邊界條件和適合的過(guò)渡區(qū)寬度，保證了多孔介質(zhì)界面處流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的計(jì)算精度。
　　數(shù)值計(jì)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(guò)可滲潛堤或出水堤時(shí)的變形、翻卷、破碎和越浪過(guò)程以及可滲結(jié)構(gòu)附近的流場(chǎng)和湍流能分布特性。所建立的三維SPH滲流模型能夠精確