基于SPH方法的波浪对水平板冲击作用研究

摘要

随着人类对海洋资源的不断开发，海岸和近海工程建筑物的安全问题已成为研究的热点，特别是波浪对海工建筑物的的冲击作用问题。在波浪冲击过程中，当波峰刚接触到建筑物底面时会产生历时很短但强度极大的冲击压力，这种极强的冲击荷载会引起建筑物上部结构的失稳或造成结构连接处的疲劳破坏。因此，对波浪冲击建筑物过程的流场变化和力学特性的研究，有着重要的科学价值和实际意义。
　　 本文主要利用光滑粒子流体动力学方法(简称SPH方法，一种无网格方法)数值模拟位于浪溅区透空式结构物的波浪冲击问题，并结合物理模型试验，分析了影响波浪对水平板冲击的各种因素，以及冲击流场变化情况。具体内容包括：
　　 首先，本文将SPH方法引入到波浪与结构物相互作用的研究之中。对SPH方法的基本原理和数值实现过程进行详细论述，将亚格子湍流模型和Poisson方程迭代求解压力场的方法加入方程中，对流体的黏性和压力控制更加合理，能够准确的模拟波浪破碎时的湍流特性，以及波浪高速冲击结构物时产生的压力。重点对阻碍SPH方法发展的边界问题进行了深入的研究，对虚拟力法、镜像粒子法、虚拟粒子法、边界力法和固定边界粒子法等处理固定边界问题的方法进行了对比研究，分析各个方法的优缺点。并且，通过引入镜像的理念，改进了虚拟粒子法处理边界时的压力计算方法；同时，提出了一种新的边界压力计算方法(固定边界粒子法)，通过实例验证了新方法的有效性和准确性，提高了边界压力的计算效率和精度。
　　 其次，建立了基于SPH方法的二维数值波浪水槽，对孤立波爬坡破碎、孤立波沿直墙爬高进行了数值模拟研究，并与实验结果进行对比分析，成功的模拟了孤立波破碎过程中先形成卷破波，之后，由于形成的射流水体下落所激发再次形成的卷破波，最后形成反向卷破波这样一个过程。另外，本文还对椭余波爬坡破碎进行了数值模拟研究，成功观察到了所谓的波扬现象。验证了本文基于SPH方法建立的数值水槽可以处理具有复杂自由面的水体大变形运动。
　　 第三，建立了基于SPH方法的孤立波和规则波与水平结构物相互作用的二维数值模型。系统的研究了规则波对二维水平板的冲击，得到了不同波高、周期和相对净空情况下，冲击压力在水平板下的分布情况，分析了二维水平板受力与波高、周期和相对净空的关系。通过与实验结果对比，以及对数值模拟结果的统计分析，使我们对波浪冲击压力的大小和分布规律有了进一步的认识。
　　 最后，进行了规则波对水平板冲击的三维试验研究，得到了不同波高、周期和相对净空情况下，冲击压力在三维水平板下的压力分布情况，分析了三维水平板受力与波高、周期和相对净空的关系。同时，建立了基于SPH方法的三维数值波浪水池，对规则波与三维水平板的相互作用问题进行了初步的数值模拟研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 板冲击压力研究进展

1.2.1 光滑粒子流体动力学方法简述

1.3 本文的主要工作

2 SPH方法的基本原理

2.1 SPH的基本方程

2.2 光滑函数条件

2.3 控制方程

2.3.1 连续方程

2.3.2 动量方程

2.3.3 能量方程

2.4 状态方程

2.5 Poisson方程求解压力

2.6 粒子的位移

2.7 SPH方法的执行过程

2.8 小结

3 SPH方法的数值实现

3.1 核函数

3.1.1 高斯型

3.1.2 二次光滑型

3.1.3 三次样条型

3.1.4 五次型

3.2 张力修正

3.3 时间积分

3.4 相邻粒子搜索方法

3.4.1 全区域配对搜索

3.4.2 链表搜索方法

3.4.3 树形搜索算法

3.4.4 单元格搜索法

3.5 边界处理方法

3.5.1 虚拟力法

3.5.2 镜像粒子法

3.5.3 虚拟粒子法

3.5.4 边界力法

3.5.5 固定边界粒子法

3.6 算例

3.6.1 静水水域内边界压力求解

3.6.2 水坝坍塌问题

3.7 小结

4 波浪爬高的数值模拟

4.1 孤立波在斜坡上的爬坡破碎的数值模拟

4.1.1 孤立波概述

4.1.2 孤立波数值造波边界

4.1.3 孤立波水槽的初始布置

4.1.4 数值模拟结果分析

4.1.5 孤立波破碎

4.2 孤立波沿直墙的爬高

4.2.1 数值水槽的布置

4.2.2 数值模拟结果

4.3 椭余波爬坡的数值模拟

4.3.1 水槽布置

4.3.2 水位过程比较

4.3.3 速度场比较

4.4 小结

5 二维平板冲击问题的数值模拟

5.1 孤立波对平板冲击作用的数值模拟

5.1.1 波浪水槽的布置

5.1.2 孤立波冲击水平板的流场变化过程

5.1.3 孤立波对水平板的冲击压力

5.2 规则波对平板冲击的数值模拟

5.2.1 规则波造波边界条件的设置

5.2.2 规则波波浪水槽的建立

5.2.3 波浪对水平板冲击作用的数值模拟

5.3 规则波冲击压力特性的统计分析

5.3.1 冲击压力沿结构物底面的分布

5.3.2 最大冲击压力与入射波高的关系

5.3.3 最大冲击压力与相对板宽的关系

5.3.4 最大冲击压力与相对净空的关系

5.4 小结

6 单向规则波对三维平板冲击压力的试验研究与数值模拟

6.1 单向规则波对三维平板冲击压力的试验研究

6.1.1 试验设备

6.1.2 试验重复性及数据的选取

6.1.3 冲击压力历时曲线及平板底部的局部压强特征

6.1.4 冲击压力峰值在结构物底面的分布规律

6.1.5冲击力与相对净空的关系

6.1.6 冲击力与相对板宽的关系

6.1.7 冲击力与入射波高的关系

6.2 三维水平板冲击压力的数值模拟

6.2.1 规则波对三维平板冲击的数值模拟

6.2.2 冲击压力峰值在结构物底面的分布规律

6.2.3 三维平板的冲击力的特征

6.3 小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致 谢

作者简介