滑波涌浪数值模拟及其与结构物的相互作用

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当库边岸坡失稳,滑坡体急剧入水时,将产生涌浪。涌浪中包含众多非线性波、浅水波等脉冲波浪,大致可以分为四种波浪类型,如斯托克斯波、椭圆余弦波、孤立波和缸径波。滑坡涌浪会给航行船舶、沿岸居民和其它基础设施带来严重威胁;同时,大量的水利工程项目也迫切需要安全的滑坡涌浪防治技术。因此,研究高度非线性波浪湍流模式下的水波动力学,并开发滑坡涌浪数值模拟计算方法,具有重要的理论意义和实际工程应用价值。本论文基于开发的大涡模拟CFD平台,强调在空间固定的笛卡尔网格下(惯性参考系)的粘性控制方程,采用无需边界拟合的切削网格法,通过构建一个包含运动界面的粒子和液体两相流质量力的数学模型,包括采用设计新颖的、用于捕捉强非线性自由面的VOF方法,精确数值模拟滑坡涌浪及其与海洋结构物的相互作用。全文共分5章:第1章简要阐述了滑坡涌浪发生机理,并结合国内外研究现状提出了本文的研究方向和主要工作。第2章简要介绍了切削网格法的理论基础,为滑坡涌浪数值模拟提供了技术支撑。第3章数学模型及计算方法。其主要内容包括基于时间隐式的有限体积法,采用二阶ENO (Essential NonOscillation)格式及中心差分分别离散非线性对流项与扩散项;压力与速度的耦合借助于投影法;自适应、局部调节湍流特性的亚格子(SubGrid Scale)模型;构建一个包含运动界面的粒子和液体两相流质量力的数学模型;采用设计新颖的、用于捕捉强非线性自由面的VOF方法。第4章滑坡涌浪及其与海洋结构物相互作用的数值模拟,并将计算结果与相关实验进行比较。第5章分析结果得出结论,展望未来。本论文主要工作是在惯性参考系内的笛卡尔网格下,基于自主创新的单相流CFD平台,通过数值模拟2D滑坡涌浪及其与海洋结构物相互作用的典型流固和波固耦合问题,来验证一类反映多运动物体对流场影响的两相流质量力数学模型。与相关的实验结果比较,并分析滑坡涌浪与海洋结构物的相互作用影响的规律,表明了描述多个运动物体对流场影响预报模型的可行性及有效性。为进一步深入理论研究滑坡涌浪及其与海洋结构物的响应提供了良好的基础。
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