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海啸数值模拟及其对近岸桥梁上部结构波浪力研究
| 论文题名： | 海啸数值模拟及其对近岸桥梁上部结构波浪力研究 |
| 关键词： | 海啸;近岸桥梁;上部结构;波浪力;水动力试验;数值模拟;破坏机理 |
| 摘要： | 海啸是一种破坏力极强的自然灾害。当海啸在近岸登陆时由于携带巨大的能量，将会对沿海基础设施产生很大的破坏力，严重影响沿岸居民生活。为了减小海啸对近岸居民生命财产的威胁，全球多个国家开展了海啸预警研究，以达到对海啸进行预警的目的。目前国际上主流的海啸预警主要采用浅水方程与实测数据相结合的模型。在海啸的预警中数值模型的计算时间非常重要，较快的数值模型能够节省预警时间，从而减小海啸所带来的灾害。桥梁作为近岸重要的交通枢纽，在海啸发生时很容易受到波浪的冲击从而产生破坏，因此研究近岸桥梁在海啸作用下的受力形式和破坏机理具有重要的意义。本文基于数值模拟和水动力试验对上述问题进行了研究，主要内容如下： (1)将求解波动方程的显式数值算法引入到海啸数值模型COMCOT中，从而加快海啸模型的计算速度。为了使显式的海啸数值模型能够模拟海啸的近岸爬高，将求解线性浅水方程的显式算法和求解非线性浅水方程的有限差分方法相结合，提出了新的网格之间的嵌套算法。并利用2004印尼海啸对算法的有效性进行验证。 (2)对于以浅水方程为控制方程的海啸模型，如何考虑海啸传播过程中的色散性问题，一直是围绕浅水方程模型的热点研究方向。本文主要聚焦在如何使显式的数值算法能够在常网格条件下满足海啸在变化地势传播过程中所包含的色散问题。为了达到这一目的，由显式数值模型出发引入一个可变参数,推导了新的色散算法和相应的色散条件，用来应对地势的变化，使海啸在可变地势条件下传播中的物理色散可以由常网格条件下的数值色散考虑，简化了色散条件，提高了计算效率。 (3)采用孤立波替代海啸，试验研究了桥梁上部结构形式、净空和波高对波浪力的影响规律。试验中研究了五种不同桥梁上部结构形式，在三种净空高度和四种波浪幅值条件下所受波浪力的特征，并通过在桥梁上部结构设置通气孔研究了通气孔对桥梁所受波浪力的抑制效果。 (4)利用开源数值软件OpenFOAM建立了桥梁在海啸作用下的数值模型，并开展了数值模拟研究，研究了不同形状的桥面板与波浪作用过程的流场特征。通过流场分析确定了桥梁在波浪作用下的破坏机理。同时，利用数值模型研究了防撞墙对波浪与桥面板之间流场的影响，揭示了防撞墙对所受波浪力的影响规律。此外，利用数值模型研究了通气孔对流场的影响及其波浪力抑制原因，分析了通气孔的形状、大小和位置对桥梁所受波浪力的影响规律。 |
| 作者： | 肖圣超 |
| 专业： | 防灾减灾工程及防护工程 |
| 导师： | 郭安薪 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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