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斜坡堤护面块体稳定性的数值模拟

金钊  
【摘要】:斜坡式防波堤以其施工简单,可就地取材,易修复,消波性能好等优点,是港口和海岸工程中最常用的防护结构。在极端海况下,斜坡堤表面的人工护面块护面层会发生失稳或者断裂等破坏。目前国内外关于斜坡式护面块体稳定性的研究工作多是基于物理模型实验以及由此得出的经验公式。但是由于物模实验中比尺效应的影响,使得物模实验结果不能真实的反映出原型护面块体结构的强度。因此开展波浪作用下斜坡式防波堤稳定性的数值模拟方法研究具有十分重要的学术意义和工程应用价值。 本文建立了基于光滑粒子流体动力学方法(SPH)和离散元方法(DEM)的二维流固耦合数学模型。结构物的水动力条件采用通过黎曼解和CSPM修正后的SPH方法来模拟,造波边界和水槽固壁以及结构物动边界采用虚粒子法处理。离散护面块体的受力和运动采用本文建立离散元模型模拟。提出了流固交界面处的界面力平衡边界条件。应用波浪水槽内的物理模型实验验证了所建立的二维数学模型。通过数值计算模拟了波浪与斜坡堤离散护面块体的相互作用,分析了波浪沿斜坡堤爬坡越浪过程的流场变化特征以及波压力沿斜坡堤护面块体表面的分布规律,并用物理模型实验对胸墙上所受的破碎波压力数模结果进行了验证。 本文在所建立的二维SPH-DEM基础上进一步建立了三维SPH-DEM流固耦合数学模型。采用计算机可视化绘图技术和非结构化网格技术完成了三维数值防波堤的建立,提出了复杂形状离散护面块体间空隙内的SPH粒子的生成方法。基于OpenMP技术发展了适用于无网格粒子法(SPH和DEM)的并行算法,充分利用多核共享内存系统的计算资源,在采用链表搜索技术寻找最近相邻粒子的基础上,采用计算域分割并行算法来进行邻近粒子的并行搜索。应用所建立的三维数学模型模拟了规则波作用下离散护面块体上所受的波浪力和相邻块体间的接触力以及块体的运动过程。研究成果将为斜坡式防波堤离散护面块体的设计和优化提供一个新的技术手段。


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