基于SPH方法的波浪對水平板沖擊作用研究.pdf

1、隨著人類對海洋資源的不斷開發(fā)，海岸和近海工程建筑物的安全問題已成為研究的熱點(diǎn)，特別是波浪對海工建筑物的的沖擊作用問題。在波浪沖擊過程中，當(dāng)波峰剛接觸到建筑物底面時(shí)會(huì)產(chǎn)生歷時(shí)很短但強(qiáng)度極大的沖擊壓力，這種極強(qiáng)的沖擊荷載會(huì)引起建筑物上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或造成結(jié)構(gòu)連接處的疲勞破壞。因此，對波浪沖擊建筑物過程的流場變化和力學(xué)特性的研究，有著重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。
　　 本文主要利用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(簡稱SPH方法，一種無網(wǎng)格方法)數(shù)

2、值模擬位于浪濺區(qū)透空式結(jié)構(gòu)物的波浪沖擊問題，并結(jié)合物理模型試驗(yàn)，分析了影響波浪對水平板沖擊的各種因素，以及沖擊流場變化情況。具體內(nèi)容包括：
　　 首先，本文將SPH方法引入到波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究之中。對SPH方法的基本原理和數(shù)值實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行詳細(xì)論述，將亞格子湍流模型和Poisson方程迭代求解壓力場的方法加入方程中，對流體的黏性和壓力控制更加合理，能夠準(zhǔn)確的模擬波浪破碎時(shí)的湍流特性，以及波浪高速?zèng)_擊結(jié)構(gòu)物時(shí)產(chǎn)生的壓力。重點(diǎn)

3、對阻礙SPH方法發(fā)展的邊界問題進(jìn)行了深入的研究，對虛擬力法、鏡像粒子法、虛擬粒子法、邊界力法和固定邊界粒子法等處理固定邊界問題的方法進(jìn)行了對比研究，分析各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。并且，通過引入鏡像的理念，改進(jìn)了虛擬粒子法處理邊界時(shí)的壓力計(jì)算方法；同時(shí)，提出了一種新的邊界壓力計(jì)算方法(固定邊界粒子法)，通過實(shí)例驗(yàn)證了新方法的有效性和準(zhǔn)確性，提高了邊界壓力的計(jì)算效率和精度。
　　 其次，建立了基于SPH方法的二維數(shù)值波浪水槽，對孤立波爬坡破

4、碎、孤立波沿直墻爬高進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，成功的模擬了孤立波破碎過程中先形成卷破波，之后，由于形成的射流水體下落所激發(fā)再次形成的卷破波，最后形成反向卷破波這樣一個(gè)過程。另外，本文還對橢余波爬坡破碎進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，成功觀察到了所謂的波揚(yáng)現(xiàn)象。驗(yàn)證了本文基于SPH方法建立的數(shù)值水槽可以處理具有復(fù)雜自由面的水體大變形運(yùn)動(dòng)。
　　 第三，建立了基于SPH方法的孤立波和規(guī)則波與水平結(jié)構(gòu)物相互作用的二維數(shù)值模型。

5、系統(tǒng)的研究了規(guī)則波對二維水平板的沖擊，得到了不同波高、周期和相對凈空情況下，沖擊壓力在水平板下的分布情況，分析了二維水平板受力與波高、周期和相對凈空的關(guān)系。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，以及對數(shù)值模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，使我們對波浪沖擊壓力的大小和分布規(guī)律有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。
　　 最后，進(jìn)行了規(guī)則波對水平板沖擊的三維試驗(yàn)研究，得到了不同波高、周期和相對凈空情況下，沖擊壓力在三維水平板下的壓力分布情況，分析了三維水平板受力與波高、周期和相對凈空