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原文传递流体-海岸结构耦合系统数值模拟方法及应用

论文题名：	流体-海岸结构耦合系统数值模拟方法及应用
关键词：	囊式浮桥;海岸区域;流体结构;耦合系统;数值建模
摘要：	我国具有漫长的海岸线，在海岸区域存在着大量的固定结构及浮动装置，并受到海浪及周围流体的影响。研究海岸结构与流体间的动态耦合作用，为海岸区域结构或装置的设计与改进提供参考依据，具有十分重要的现实意义。随着计算机技术的进步及计算方法的改进，数值模拟技术越来越多的被应用到大型工程问题的求解中，并获得了较为准确的计算结果，提高了计算效率，节约了试验成本。本文主要围绕流固耦合问题的数值模拟方法，结合高性能计算平台，研究了海岸区域流体与结构之间耦合系统的数值模拟方法，并将其应用到具体的工程实践中，主要的研究内容包括：　　研究了流体-海岸结构耦合系统的数值建模方法：对于海水和空气等流体区域采用了ALE网格进行建模，结构区域则采用了Lagrangian网格进行建模。为解决流体单元可能同时存在两种物质的问题，利用多物质ALE单元进行了处理。流体与结构两者之间的耦合界面，基于罚函数法实现了界面上的变量传递，有效模拟了流体与结构间的动态作用关系。对于结构区域各部分之间的接触关系，同样采用了基于罚函数方法的接触算法进行模拟。　　研究了流体-海岸结构耦合系统的高性能计算方法：流体-结构大型非线性耦合模型计算量较大，且需要考虑模型中存在的流固耦合界面与动态接触关系。现有的并行计算分区方法可以实现各分区的节点数与单元数大致相当，但无法保障各分区的耦合计算量均衡分布，因而会导致并行计算效率的下降。为此结合上海超算中心曙光5000A蜂鸟高性能计算平台，设计了耦合负载均衡分区方法，以流体-海岸防波堤和流体-海岸囊式浮桥两个耦合系统作为工程应用对象，验证了分区方法的可行性且具有良好的并行效率。　　开展了流体-海岸防波堤耦合系统的数值模拟应用研究：建立了数值波浪水槽，根据不同的造波原理生成了规则波、不规则波、孤立波等波浪。模拟了海浪在防波堤上的越浪过程，分析了堤顶宽度、前后侧挡墙高程对越浪量的影响。模拟了波浪对防波堤的冲击过程，分析了迎潮面最大波压力的分布，以及挡浪墙在波浪冲击下的变形及应力状况。设计并搭建了防波堤的水槽试验模型，进行了越浪及冲击等相关试验，并同数值模拟结果进行了对比。模拟了堤顶车辆在波浪的作用下对后挡墙的撞击过程，分析了载重、撞击距离等因素对后挡墙主应力及冲击力的影响。最后提出了一种混合模型模拟方法，建立防波堤三维有限元模型，分析了关键堤段的应力状况。　　开展了流体-海岸囊式浮桥耦合系统的数值模拟应用研究：选取了合理的网格尺度，建立了囊式浮桥三维有限元模型。通过与小比例模型试验结果的对比，验证了计算方法的可行性和正确性。为防止浮桥发生共振，首先进行了浮桥的模态分析，并分析了不同的联接方式对固有频率的影响。模拟了车辆在浮桥上的通行过程，研究了载重、速度以及加速度对浮桥动力响应的影响，分析了囊体的变形及应力分布，同时也研究了拼装间隙、充气压力的影响。最后模拟了波浪对浮桥的冲击过程，分析了波高、入射角度等因素对浮桥动力响应的影响。
作者：	王欢欢
专业：	机械工程
导师：	金先龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文