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原文传递基于SPH方法的波浪对水平板冲击作用研究

论文题名：	基于SPH方法的波浪对水平板冲击作用研究
关键词：	边界压力;数值模拟;波浪冲击;水平板;海工建筑物
摘要：	随着人类对海洋资源的不断开发，海岸和近海工程建筑物的安全问题已成为研究的热点，特别是波浪对海工建筑物的的冲击作用问题。在波浪冲击过程中，当波峰刚接触到建筑物底面时会产生历时很短但强度极大的冲击压力，这种极强的冲击荷载会引起建筑物上部结构的失稳或造成结构连接处的疲劳破坏。因此，对波浪冲击建筑物过程的流场变化和力学特性的研究，有着重要的科学价值和实际意义。　　本文主要利用光滑粒子流体动力学方法(简称SPH方法，一种无网格方法)数值模拟位于浪溅区透空式结构物的波浪冲击问题，并结合物理模型试验，分析了影响波浪对水平板冲击的各种因素，以及冲击流场变化情况。具体内容包括：　　首先，本文将SPH方法引入到波浪与结构物相互作用的研究之中。对SPH方法的基本原理和数值实现过程进行详细论述，将亚格子湍流模型和Poisson方程迭代求解压力场的方法加入方程中，对流体的黏性和压力控制更加合理，能够准确的模拟波浪破碎时的湍流特性，以及波浪高速冲击结构物时产生的压力。重点对阻碍SPH方法发展的边界问题进行了深入的研究，对虚拟力法、镜像粒子法、虚拟粒子法、边界力法和固定边界粒子法等处理固定边界问题的方法进行了对比研究，分析各个方法的优缺点。并且，通过引入镜像的理念，改进了虚拟粒子法处理边界时的压力计算方法；同时，提出了一种新的边界压力计算方法(固定边界粒子法)，通过实例验证了新方法的有效性和准确性，提高了边界压力的计算效率和精度。　　其次，建立了基于SPH方法的二维数值波浪水槽，对孤立波爬坡破碎、孤立波沿直墙爬高进行了数值模拟研究，并与实验结果进行对比分析，成功的模拟了孤立波破碎过程中先形成卷破波，之后，由于形成的射流水体下落所激发再次形成的卷破波，最后形成反向卷破波这样一个过程。另外，本文还对椭余波爬坡破碎进行了数值模拟研究，成功观察到了所谓的波扬现象。验证了本文基于SPH方法建立的数值水槽可以处理具有复杂自由面的水体大变形运动。　　第三，建立了基于SPH方法的孤立波和规则波与水平结构物相互作用的二维数值模型。系统的研究了规则波对二维水平板的冲击，得到了不同波高、周期和相对净空情况下，冲击压力在水平板下的分布情况，分析了二维水平板受力与波高、周期和相对净空的关系。通过与实验结果对比，以及对数值模拟结果的统计分析，使我们对波浪冲击压力的大小和分布规律有了进一步的认识。　　最后，进行了规则波对水平板冲击的三维试验研究，得到了不同波高、周期和相对净空情况下，冲击压力在三维水平板下的压力分布情况，分析了三维水平板受力与波高、周期和相对净空的关系。同时，建立了基于SPH方法的三维数值波浪水池，对规则波与三维水平板的相互作用问题进行了初步的数值模拟研究。
作者：	郑坤
专业：	港口、海岸及近海工程
导师：	孙昭晨
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文