流體-海岸結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬方法及應(yīng)用.pdf

1、我國(guó)具有漫長(zhǎng)的海岸線，在海岸區(qū)域存在著大量的固定結(jié)構(gòu)及浮動(dòng)裝置，并受到海浪及周圍流體的影響。研究海岸結(jié)構(gòu)與流體間的動(dòng)態(tài)耦合作用，為海岸區(qū)域結(jié)構(gòu)或裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及計(jì)算方法的改進(jìn)，數(shù)值模擬技術(shù)越來越多的被應(yīng)用到大型工程問題的求解中，并獲得了較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，提高了計(jì)算效率，節(jié)約了試驗(yàn)成本。本文主要圍繞流固耦合問題的數(shù)值模擬方法，結(jié)合高性能計(jì)算平臺(tái)，研究了海岸區(qū)域流體與結(jié)構(gòu)之間耦合

2、系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法，并將其應(yīng)用到具體的工程實(shí)踐中，主要的研究?jī)?nèi)容包括：
　　研究了流體-海岸結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的數(shù)值建模方法：對(duì)于海水和空氣等流體區(qū)域采用了ALE網(wǎng)格進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)區(qū)域則采用了Lagrangian網(wǎng)格進(jìn)行建模。為解決流體單元可能同時(shí)存在兩種物質(zhì)的問題，利用多物質(zhì)ALE單元進(jìn)行了處理。流體與結(jié)構(gòu)兩者之間的耦合界面，基于罰函數(shù)法實(shí)現(xiàn)了界面上的變量傳遞，有效模擬了流體與結(jié)構(gòu)間的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系。對(duì)于結(jié)構(gòu)區(qū)域各部分之間的接觸關(guān)系，同

3、樣采用了基于罰函數(shù)方法的接觸算法進(jìn)行模擬。
　　研究了流體-海岸結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的高性能計(jì)算方法：流體-結(jié)構(gòu)大型非線性耦合模型計(jì)算量較大，且需要考慮模型中存在的流固耦合界面與動(dòng)態(tài)接觸關(guān)系?，F(xiàn)有的并行計(jì)算分區(qū)方法可以實(shí)現(xiàn)各分區(qū)的節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù)大致相當(dāng)，但無(wú)法保障各分區(qū)的耦合計(jì)算量均衡分布，因而會(huì)導(dǎo)致并行計(jì)算效率的下降。為此結(jié)合上海超算中心曙光5000A蜂鳥高性能計(jì)算平臺(tái)，設(shè)計(jì)了耦合負(fù)載均衡分區(qū)方法，以流體-海岸防波堤和流體-海岸囊式浮橋

4、兩個(gè)耦合系統(tǒng)作為工程應(yīng)用對(duì)象，驗(yàn)證了分區(qū)方法的可行性且具有良好的并行效率。
　　開展了流體-海岸防波堤耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬應(yīng)用研究：建立了數(shù)值波浪水槽，根據(jù)不同的造波原理生成了規(guī)則波、不規(guī)則波、孤立波等波浪。模擬了海浪在防波堤上的越浪過程，分析了堤頂寬度、前后側(cè)擋墻高程對(duì)越浪量的影響。模擬了波浪對(duì)防波堤的沖擊過程，分析了迎潮面最大波壓力的分布，以及擋浪墻在波浪沖擊下的變形及應(yīng)力狀況。設(shè)計(jì)并搭建了防波堤的水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了越浪及沖擊

5、等相關(guān)試驗(yàn)，并同數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。模擬了堤頂車輛在波浪的作用下對(duì)后擋墻的撞擊過程，分析了載重、撞擊距離等因素對(duì)后擋墻主應(yīng)力及沖擊力的影響。最后提出了一種混合模型模擬方法，建立防波堤三維有限元模型，分析了關(guān)鍵堤段的應(yīng)力狀況。
　　開展了流體-海岸囊式浮橋耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬應(yīng)用研究：選取了合理的網(wǎng)格尺度，建立了囊式浮橋三維有限元模型。通過與小比例模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性和正確性。為防止浮橋發(fā)生共振，首先進(jìn)行了浮